[논문]영구자석의 불가역 감자 현상을 고려한 BLDC 전동기의 회전자 자속 장벽 설계

김철민; 조규원; 김규탁

doi:10.5370/kiee.2014.63.1.048

영구자석의 불가역 감자 현상을 고려한 BLDC 전동기의 회전자 자속 장벽 설계
The Rotor Barrier Design of the BLDC Motor Consider that Irreversible Demagnetization of Permanent Magnets 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.1, 2014년, pp.48 - 53

김철민 (Dept. Electrical Engineering, Changwon Nat'l University) , 조규원 (Dept. Electrical Engineering, Changwon Nat'l University) , 김규탁 (Dept. Electrical Engineering, Changwon Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the usage motor in the vehicle is exposed to highly ambient temperature and large vibration according to repeatedly starting and stopping during very short time. So, in this paper, the rotor shape design was performed to improve demagnetization endurance by considering starting current of Brushless DC Motor (BLDCM) through Finite Element Method(FEM). As a result, the end of Permanent Magnet (PM) in the basic model was occurring a partial irreversible demagnetization by starting current. To solve this problem, the installing flux barrier was limited to flux line on the core. Accordingly, demagnetization endurance and operating characteristics were improved.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그 결과 기동 전류가 인가된 상태에서 Rib 부분이 포화됨에 따라 외부 자계는 Rib에서 가장 가까운 영구자석의 양 끝단을 통하여 흐르게 되어 회전자 위치 0°와 180°에서 영구자석 양 끝단에 국부적인 불가역 감자현상이 발생되었다. 따라서 본 논문에서는 영구자석 양 끝단의 감자내력을 향상시키기 위해 영구자석의 양 끝단에 충분한 자속 장벽을 설치하여 영구자석의 양 끝단을 보호하는 방법을 제안하였다. 그 결과, 제안된 모델에 기동 전류가 인가되었을 때 회전자의 위치마다 최소 자속밀도는 0.
따라서, 기동 시의 외부 자계에 대한 감자내력 향상이 고려된 설계가 요구된다[3]. 따라서, 본 논문에서는 외부 구동회로를 고려한 유한요소해석을 이용하여 과도 상태에서 의 기동 전류를 산정하여 BLDC 모터의 감자해석에 적용하였다. 또한, 감자내력을 향상시키기 위하여 회전자에 자속 장벽을 설치하는 방법을 채택하였으며, 자속 장벽 설치에 따른 코깅 토크 저감 및 토크 리플 감소 특성을 고찰하였다.
따라서, 본 논문에서는 외부 구동회로를 고려한 유한요소해석을 이용하여 과도 상태에서 의 기동 전류를 산정하여 BLDC 모터의 감자해석에 적용하였다. 또한, 감자내력을 향상시키기 위하여 회전자에 자속 장벽을 설치하는 방법을 채택하였으며, 자속 장벽 설치에 따른 코깅 토크 저감 및 토크 리플 감소 특성을 고찰하였다. 즉, 실험 계획법을 이용하여 회전자 자속 장벽의 설계 변수에 따른 구동 특성 및 감자해석을 수행하여 자속 장벽이 구동 및 감자특성에 미치는 영향을 고찰하였다.
28[T]보다 감자내력의 여유가 있음을 확인하였다. 본 모델에서는 설계 변수에 따른 구동 특성 및 감자해석의 비교 분석하였을때 감자내력과 구동 특성이 가장 양호한 설계 변수 13[mm] 모델을 제안한다.
외부 자계를 발생시키는 최대 전류는 기동 전류, 단락 전류, 제어기 최대 전류 등 의미 있는 전류로 선택하는 것이 일반적이며, 본 연구에서는 그림 2와 같이 유한요소해석을 통한 기동 전류를 선택하였고, 기동 전류는 42[A]이다[5].
28[T]로 선정하였다. 이를 유한요소해석에 적용하여 철심과 영구자석을 비선형 처리하였고, 유한요소해석을 통하여 기본 모델의 감자내력을 확인하였다. 그 결과 기동 전류가 인가된 상태에서 Rib 부분이 포화됨에 따라 외부 자계는 Rib에서 가장 가까운 영구자석의 양 끝단을 통하여 흐르게 되어 회전자 위치 0°와 180°에서 영구자석 양 끝단에 국부적인 불가역 감자현상이 발생되었다.
또한, 감자내력을 향상시키기 위하여 회전자에 자속 장벽을 설치하는 방법을 채택하였으며, 자속 장벽 설치에 따른 코깅 토크 저감 및 토크 리플 감소 특성을 고찰하였다. 즉, 실험 계획법을 이용하여 회전자 자속 장벽의 설계 변수에 따른 구동 특성 및 감자해석을 수행하여 자속 장벽이 구동 및 감자특성에 미치는 영향을 고찰하였다.

대상 데이터

외부 자계에 대한 감자내력을 향상시키는 방법으로 영구자석의 두께를 증가시키는 방법이 있지만 이는 상승을 유발하므로 그림 7과 같이 영구자석의 두께를 유지하면서 영구자석 양 끝단에 국부적인 불가역 감자로 부터 감자내력을 향상시킬 수 있는 회전자 자속 장벽을 설계하였다[8]. 본 논문에서 제안된 모델은 기계적인 강도와 포화를 고려하여 Rib을 1[mm]로 고정하였고, 설계 변수(w_d)는 영구자석의 주 자로를 형성하는 d축 자로의 길이다. 최적 설계는 실험 계획법을 이용하여 수행하였다[2].

데이터처리

본 논문에서는 유한요소해석을 통하여 BLDCM의 감자해석에 사용되는 기동 전류를 계산하였고, N33SH NdFeB 영구자석의 자속밀도 변곡점을 0.28[T]로 선정하였다. 이를 유한요소해석에 적용하여 철심과 영구자석을 비선형 처리하였고, 유한요소해석을 통하여 기본 모델의 감자내력을 확인하였다.

이론/모형

본 연구에서는 N33SH NdFeB 영구자석을 사용하였고, 기동 전류가 인가된 상태에서 영구자석의 감자내력은 유한요소해석을 통하여 고찰한다. 불가역 감자의 평가 여부는 유한요소해석을 통해 영구자석의 최소자속밀도를 계산하였을때 최소 자속밀도가 자속밀도 변곡점 0.
본 논문에서 제안된 모델은 기계적인 강도와 포화를 고려하여 Rib을 1[mm]로 고정하였고, 설계 변수(w_d)는 영구자석의 주 자로를 형성하는 d축 자로의 길이다. 최적 설계는 실험 계획법을 이용하여 수행하였다[2].

성능/효과

이를 유한요소해석에 적용하여 철심과 영구자석을 비선형 처리하였고, 유한요소해석을 통하여 기본 모델의 감자내력을 확인하였다. 그 결과 기동 전류가 인가된 상태에서 Rib 부분이 포화됨에 따라 외부 자계는 Rib에서 가장 가까운 영구자석의 양 끝단을 통하여 흐르게 되어 회전자 위치 0°와 180°에서 영구자석 양 끝단에 국부적인 불가역 감자현상이 발생되었다. 따라서 본 논문에서는 영구자석 양 끝단의 감자내력을 향상시키기 위해 영구자석의 양 끝단에 충분한 자속 장벽을 설치하여 영구자석의 양 끝단을 보호하는 방법을 제안하였다.
따라서 본 논문에서는 영구자석 양 끝단의 감자내력을 향상시키기 위해 영구자석의 양 끝단에 충분한 자속 장벽을 설치하여 영구자석의 양 끝단을 보호하는 방법을 제안하였다. 그 결과, 제안된 모델에 기동 전류가 인가되었을 때 회전자의 위치마다 최소 자속밀도는 0.29[T]로 계산되었고, 기본 모델에서 영구자석의 양 끝단에 국부적인 불가역 감자가 발생되었던 것과 달리 제안된 모델에서는 양 끝단에 국부적 불가역 감자 현상이 발생되지 않았다. 또한, 제안된 모델은 기본 모델에 비하여 토크가 2% 감소되고, 철손이 0.
29[T]로 계산되었고, 기본 모델에서 영구자석의 양 끝단에 국부적인 불가역 감자가 발생되었던 것과 달리 제안된 모델에서는 양 끝단에 국부적 불가역 감자 현상이 발생되지 않았다. 또한, 제안된 모델은 기본 모델에 비하여 토크가 2% 감소되고, 철손이 0.4% 증가되어, 효율이 0.4% 감소하였으나, 제안된 모델의 역기전력은 자속 장벽 설치에 의해 정현적인 분포를 유지시킴에 따라 제안된 모델은 기본 모델에 비하여 코깅 토크가 83% 저감되고, 토크 리플이 13% 저감되었으므로 전반적인 구동 특성은 향상되었다. 본 연구에서 영구자석의 불가역 감자 현상을 고려한 회전자에 배리어를 설계함으로써 불가역 감자를 방지함은 물론 구동 특성이 향상되는 결과를 나타내었다.
4% 감소하였으나, 제안된 모델의 역기전력은 자속 장벽 설치에 의해 정현적인 분포를 유지시킴에 따라 제안된 모델은 기본 모델에 비하여 코깅 토크가 83% 저감되고, 토크 리플이 13% 저감되었으므로 전반적인 구동 특성은 향상되었다. 본 연구에서 영구자석의 불가역 감자 현상을 고려한 회전자에 배리어를 설계함으로써 불가역 감자를 방지함은 물론 구동 특성이 향상되는 결과를 나타내었다.
그러나 코깅 토크가 83% 저감되고, 토크 리플이 13% 저감되었으므로 전반적인 구동 특성은 향상되었음을 알 수 있다. 이로써 제안된 모델은 기본 모델에 비하여 전반적인 구동 특성이 향상되었고, 감자내력은 크게 향상되었다.
제안된 모델은 기본 모델과 비교하였을 때 구동 토크가 2% 감소되고, 철손이 0.4% 증가되어 효율이 0.4% 감소하였다. 그러나 코깅 토크가 83% 저감되고, 토크 리플이 13% 저감되었으므로 전반적인 구동 특성은 향상되었음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 전동기의 특징은?	BLDC 전동기는 DC전동기의 장점인 큰 기동 토크는 물론 정속주행 시 안정적인 특성을 유지하지만, 브러쉬가 없는 관계로 브러쉬에서 발생되는 섬락, 잡음이 없고 고속운전이 가능하다. 그러나, IPM type 전동기는 영구자석이 회전자 내부에 있으므로 회전자 내부 일정 부위에 자속이 집중되어 포화가 발생하고, 높은 자속밀도로 인하여 코깅 토크가 표면 부착형 영구자석 전동기보다 크다는 단점이 있다.
	BLDC 구동은 기동 시 큰 전류는 물론 높은 온도 상승이 예상되기 때문에 설계시 고려해야 되는 사항은?	또한, BLDC 구동은 기동 시 큰 전류는 물론 높은 온도 상승이 예상되기 때문에 전장품용 BLDC 모터는 영구자석의 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 기동 시의 외부 자계에 대한 감자내력 향상이 고려된 설계가 요구된다[3]. 따라서, 본 논문에서는 외부 구동회로를 고려한 유한요소해석을 이용하여 과도 상태에서 의 기동 전류를 산정하여 BLDC 모터의 감자해석에 적용하였다.
	IPM type 전동기의 단점은?	BLDC 전동기는 DC전동기의 장점인 큰 기동 토크는 물론 정속주행 시 안정적인 특성을 유지하지만, 브러쉬가 없는 관계로 브러쉬에서 발생되는 섬락, 잡음이 없고 고속운전이 가능하다. 그러나, IPM type 전동기는 영구자석이 회전자 내부에 있으므로 회전자 내부 일정 부위에 자속이 집중되어 포화가 발생하고, 높은 자속밀도로 인하여 코깅 토크가 표면 부착형 영구자석 전동기보다 크다는 단점이 있다. 이로 인하여 전동기 운전 시 진동과 소음이 크게 발생하게 된다[1].

참고문헌 (10)

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Gyu-Won Cho, Seok-Hyeon Woo, Ki-Bong Jang, Gyu-Tak Kim, "A Study on the Demagnetization of Permanent Magnet due to the Barrier Shape of Vehicle Hydaulic Control Motor", proceedings of the KIEE EMECS Summer Annual Conference 2012, pp. 902-903, 2010.
J.-Y. Lee, S.-H. Lee, G.-H. Lee, J.-P. Hong, and J. Hur, "Determination of arameters considering magnetic nonlinearity in an interior permanent magnet synchronous motor," IEEE Trans. Magn., vol. 402, no. 4, Apr. 2006.
G. H. Kang, Y. D. Son, G. T. Kim, and J. Hur, "A Novel Cogging Torque Reduction Method for Interior-Type Permanent-Magnet Motor", IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 45, no. 1, pp. 161-167, Jan./Feb. 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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