[논문]BLDC 모터의 온도 및 진동 특성 연구

예정우; 손문규; 최명환; 김대화; 조연수; 이현석; 심재술

doi:10.9726/kspse.2014.18.4.043

[국내논문] BLDC 모터의 온도 및 진동 특성 연구
Study on Temperature and Vibration of BLDC Motor 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.4, 2014년, pp.43 - 51

예정우 (영남대학교 기계공학과) , 손문규 (경산과학고등학교) , 최명환 (경산과학고등학교) , 김대화 (경산과학고등학교) , 조연수 (경산과학고등학교) , 이현석 (경산과학고등학교) , 심재술 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, transient temperature and vibration characteristics of a brushless DC (BLD(c) motor are studied for external load (165W~495W) and rotational speed (2000 rpm~4000 rpm). For experiment, a simple measurement system is developed to allow a change in load and speed for measuring transient temperature and vibration simultaneously. Temperature and vibration were also measured under the conditions of natural convection and forced convection. Vibrations in the directions of x-axis (#Ch1), y -axis (#Ch2) and z -axis (#Ch3) were obtained by three accelerometers and temperature was obtained by a thermo-couple with respect to time until the motor is steady. Experimental results show that the amplitude of vibration is higher in the order of z-axis (#Ch3), x -axis (#Ch1) and y-axis (#Ch2) and the amplitude of vibration at the forced convection conditions is 10.6% to 17.8% lower than that of vibration at the natural convection. However, the ratio of the vibration value is similar on average regardless of external convection condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 BLDC 모터가 부하 및 회전수의 변화에 따른 BLDC 모터의 내부 코어 부분의 온도 변화와 모터에서 발생하는 진동을 직접 측정하고 분석하였다.
본 연구는 BLDC모터의 열 및 진동의 특성을 연구하기 위하여 다양한 외부 조건에서의 열 및 진동의 변화를 관찰할 수 있는 시스템을 직접 제작하였고, 강제대류 및 자연대류의 조건하에 회전수 2000 rpm~4000 rpm, 외부 부하 165 W~495 W의 변화에 대한 열 및 진동의 변화를 관찰하였다.
차의 정지 상태와 동작 상태를 모사하기 위해서 외부 조건을 자연대류의 경우와 강제대류의 실험조건을 비교하고자 하였다. 봄과 가을의 차량 운전을 가정하여 실험실의 조건을 22℃로 에어콘과 히터를 이용하여 유지하며 실험하였고, 강제대류의 경우에는 Fan을 작동시켜 강제적인 공기 흐름을 이용한 냉각방법을 사용하였다.

가설 설정

봄과 가을의 차량 운전을 가정하여 실험실의 조건을 22℃로 에어콘과 히터를 이용하여 유지하며 실험하였고, 강제대류의 경우에는 Fan을 작동시켜 강제적인 공기 흐름을 이용한 냉각방법을 사용하였다. 차량이 달리고 있는 상황을 가정하여 Fan의 유량은 100m³/min로 모터의 회전 축 방향으로 유지하였다. 또한 태양열에 의한 부하를 방지하기 위하여 외부의 빛을 차단한 후 실험실 내부의 전등만 키고 실험을 진행하여 외부의 영향을 일정하게 유지하였다.

제안 방법

Table. 1 과 같이 부하는 전구의 수를 3, 6, 9개를 사용하여 165 W, 300 W, 495 W의 부하 조건을 각각 주어 실험하였다. 모터의 회전수는 각각의 부하 조건에서 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm의 회전수를 바꿔가면서 모터의 정상 상태가 도달하도록 6000s 동안 실험하였다.
전구 한 개당 55 W의 전력을 소모하므로 165 W~495 W의 전력을 소비하도록 부하를 조절할 수 있도록 시스템을 구성하였다. BLDC 모터를 측정하기 위해서 x, y, z축으로 동시에 측정하기 위해서 정밀 실험을 위해서 보정된 3개의 가속도계(accelerometer) 모터의 외부에 부착하여 시간에 따른 모터의 진동 특성을 얻었다. 실험은 외부 부하(165 W~495 W)와 모터의 회전수 (2000 rpm~4000 rpm) 및, 외부 풍량 조건을 바꾸어 가면서 모터의 온도 및 진동을 동시에 측정하였다.
BLDC의 모터의 온도 변화 및 진동 변화를 동시에 비교하기 위해서 외부 환경조건을 자연대류와 강제대류에 대한 특성을 고찰하였으며, 외부 부하 조건(330 W~495 W), 모터의 회전수 (2000 rpm~4000 rpm)등을 변경하여 실험하였다.
BLDC모터 측정 시스템은 0 rpm~4000 rpm까지 조절 가능한 모터를 부착하여 농업용 소형 자동차에 쓰이는 모터와 비슷한 조건을 만들었다. 그리고 실제 자동차에 사용하는 BLDC모터 환경을 그대로 반영하기 위해 부하 장치로 중첩부하 (superposition load)¹²⁾의 방법으로 모터의 끝에 직류 발전기를 병렬구조의 일정한 용량으로 에너지를 소모할 수 있도록 다량의 전구와 연결하여 부하를 조절할 수 있도록 하였다.^13,14)전구는 개당 55 W의 전력을 소비하고, 3개씩 먼저 직렬연결하고 그 직렬 연결한 전구를 다시 병렬로 7줄을 연결하여 총 21개의 전구를 사용하여 부하를 주었다.
차량이 달리고 있는 상황을 가정하여 Fan의 유량은 100m³/min로 모터의 회전 축 방향으로 유지하였다. 또한 태양열에 의한 부하를 방지하기 위하여 외부의 빛을 차단한 후 실험실 내부의 전등만 키고 실험을 진행하여 외부의 영향을 일정하게 유지하였다.
1 과 같이 부하는 전구의 수를 3, 6, 9개를 사용하여 165 W, 300 W, 495 W의 부하 조건을 각각 주어 실험하였다. 모터의 회전수는 각각의 부하 조건에서 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm의 회전수를 바꿔가면서 모터의 정상 상태가 도달하도록 6000s 동안 실험하였다. 이렇게 하면 총 9번의 실험이 되는데 여기에 대류 조건에 따라 자연대류 강제대류 이렇게 두 가지 조건을 달리하여 실험하여 총 18번의 실험을 진행하였다.
차의 정지 상태와 동작 상태를 모사하기 위해서 외부 조건을 자연대류의 경우와 강제대류의 실험조건을 비교하고자 하였다. 봄과 가을의 차량 운전을 가정하여 실험실의 조건을 22℃로 에어콘과 히터를 이용하여 유지하며 실험하였고, 강제대류의 경우에는 Fan을 작동시켜 강제적인 공기 흐름을 이용한 냉각방법을 사용하였다. 차량이 달리고 있는 상황을 가정하여 Fan의 유량은 100m³/min로 모터의 회전 축 방향으로 유지하였다.
BLDC 모터를 측정하기 위해서 x, y, z축으로 동시에 측정하기 위해서 정밀 실험을 위해서 보정된 3개의 가속도계(accelerometer) 모터의 외부에 부착하여 시간에 따른 모터의 진동 특성을 얻었다. 실험은 외부 부하(165 W~495 W)와 모터의 회전수 (2000 rpm~4000 rpm) 및, 외부 풍량 조건을 바꾸어 가면서 모터의 온도 및 진동을 동시에 측정하였다.
진동 신호는 16s 동안 가속도값을 평균하였고, 600s 간격마다 저장하도록 하였다. 온도값은 내부의 BLDC 모터의 코어부분에 열전대를 이용하여 계측된 온도 데이타를 실시간으로 저장하도록 하였다.
모터의 회전수는 각각의 부하 조건에서 2000 rpm, 3000 rpm, 4000 rpm의 회전수를 바꿔가면서 모터의 정상 상태가 도달하도록 6000s 동안 실험하였다. 이렇게 하면 총 9번의 실험이 되는데 여기에 대류 조건에 따라 자연대류 강제대류 이렇게 두 가지 조건을 달리하여 실험하여 총 18번의 실험을 진행하였다.
^13,14)전구는 개당 55 W의 전력을 소비하고, 3개씩 먼저 직렬연결하고 그 직렬 연결한 전구를 다시 병렬로 7줄을 연결하여 총 21개의 전구를 사용하여 부하를 주었다. 전구 한 개당 55 W의 전력을 소모하므로 165 W~495 W의 전력을 소비하도록 부하를 조절할 수 있도록 시스템을 구성하였다. BLDC 모터를 측정하기 위해서 x, y, z축으로 동시에 측정하기 위해서 정밀 실험을 위해서 보정된 3개의 가속도계(accelerometer) 모터의 외부에 부착하여 시간에 따른 모터의 진동 특성을 얻었다.
장비는 NI사에서 나온 U640모델을 사용하였고 프로그램은 eZ-TOMAS를 사용하였다. 진동 신호는 16s 동안 가속도값을 평균하였고, 600s 간격마다 저장하도록 하였다. 온도값은 내부의 BLDC 모터의 코어부분에 열전대를 이용하여 계측된 온도 데이타를 실시간으로 저장하도록 하였다.

이론/모형

4와 같이 x축은 #Ch1, y축은 #Ch2, z축은 #Ch3로 설정하여 진동을 측정하였다. 장비는 NI사에서 나온 U640모델을 사용하였고 프로그램은 eZ-TOMAS를 사용하였다. 진동 신호는 16s 동안 가속도값을 평균하였고, 600s 간격마다 저장하도록 하였다.

성능/효과

1) 모터의 진동크기는 평균적으로 z축(#Ch3)이 0.0178g으로 가장 크게 측정 되었고 그다음 x축 (#Ch1)의 0.0138g, y축(#Ch2)의 0.0075g 순으로 크게 나왔다.
2) 진동비의 변화는 온도가 수렴하는 시간인 3000s이전에는 상승하거나 감소하는 등 불안정한 모습을 보였지만 3000s 이후로는 일정한 값을 유지하였다.
3) 진동의 크기는 각 회전수에서 최댓값을 가지는 495 W의 경우의 값들을 비교하면 2000 rpm에서의 값보다 3000 rpm은 167.0% 증가하였고, 4000 rpm 에서의 값은 54.7% 증가하여 증가폭이 감소한 것을 확인하였다.
5) 각 부하에서 최댓값을 가지는 4000 rpm의 경우의 값들을 비교해보면 165 W에서의 값보다 330 W의 값은 거의 비슷하게 나왔고, 495 W는 3.5%증가 하여 비슷한 값을 보여 부하에 의한 변화 보다 회전수의 변화에 따른 변화가 더 큰 것을 확인하였다.
10은 모터의 회전수와 부하조건에 따른 #Ch3의 진동의 크기를 비교해 놓은 그래프이다. 그래프를 보면 자연대류조건이나 강제대류 조건 두 경우 모두 부하에 따른 진동은 크게 차이가 없었으나 모터 회전수의 변화에는 큰 차이를 보였다.
9 와 비슷한 양상을 보였다. 두 조건을 비교해 보면 모든 조건에서 온도는 거의 30℃ 차이가 나는 반면, 진동의 크기는 강제대류 조건에서 보다 자연대류 조건에서 2000 rpm에서는 평균적으로 10.4%, 3000 rpm에서는 11.7% 4000 rpm에서는 18.2% 높은 값을 보였다.
6612으로 나타났다. 반면에 온도는 67 ℃, 75 ℃, 76 ℃ 으로 각각 8℃, 1℃ 증가한 반면 진동비는 1%증가하고 8.54%감소하였다.
8%높은 것으로 측정 되었다. 세 경우를 비교하면 회전수가 높을수록 부하의 변화에 따른 진동크기의 변화는 더 크다는 것을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 특징은?	이러한 중소형 자동차에 사용되는 모터는 BLDC 모터로 전기를 흘려주는 카본 브러시와 정류자가 없어 마찰열이 적은 것이 특징이며, 에너지 효율성이 높은 장점을 가지고 있으며, 소음, 진동 등에서도 우수한 특성을 나타낼 뿐만 아니라 저속에서도 높은 토크를 낼 수 있어 자동차 뿐 만아니라 다양한 분야에서도 활용되고 있다. 하지만 BLDC 모터의 단점은 BLDC 모터 내부에 영구 자석을 사용하기 때문에 모터의 이상 발열 때에는 영구 자석의 성질을 잃어버릴 수가 있고, 다양한 부하에 따른 이상 진동은 모터의 수명과 직결되기 때문에 BLDC 모터의 개발시 필수적으로 모터 회전수와 다양한 외부 부하에 따른 모터의 발열및 진동에 대한 특성이 아주 중요하게 여겨지고 있다.
	지구 온난화와 천연자원의 고갈이 자동차 업계에 미치는 영향은?	특히 석유를 사용하는 자동차에 의해서 생산되는 이산화탄소는 지구 온난화에 밀접한 관계가 있어서 자동차가 만들어내는 이산화탄소를 줄인다면 전 세계의 이산화탄소 방출량을 효과적으로 줄 일 수 있다. 최근 전 세계적인 자동차 제조 회사에서는 이러한 지구 온난화 문제와 에너지 고갈의 문제를 동시에 해결하기 위해서 자동차의 동력을 내연기관이아닌 전기 모터로 대체하고 있고, 국가적으로도 중소형 운송용 자동차 뿐 만아니라 농업 분야에서 사용하는 소형 운송기구에 전기 모터를 사용하도록 장려하고 있다.
	BLDC 모터의 단점은 무엇인가?	이러한 중소형 자동차에 사용되는 모터는 BLDC 모터로 전기를 흘려주는 카본 브러시와 정류자가 없어 마찰열이 적은 것이 특징이며, 에너지 효율성이 높은 장점을 가지고 있으며, 소음, 진동 등에서도 우수한 특성을 나타낼 뿐만 아니라 저속에서도 높은 토크를 낼 수 있어 자동차 뿐 만아니라 다양한 분야에서도 활용되고 있다. 하지만 BLDC 모터의 단점은 BLDC 모터 내부에 영구 자석을 사용하기 때문에 모터의 이상 발열 때에는 영구 자석의 성질을 잃어버릴 수가 있고, 다양한 부하에 따른 이상 진동은 모터의 수명과 직결되기 때문에 BLDC 모터의 개발시 필수적으로 모터 회전수와 다양한 외부 부하에 따른 모터의 발열및 진동에 대한 특성이 아주 중요하게 여겨지고 있다. 그러므로 BLDC 모터의 진동 특성과 열 발생 메카니즘에 대하여 많은 연구자들에 의해서 연구되어왔다.

참고문헌 (14)

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P. Gnacinski, 2008, "Prediction of windings temperaturerise in induction motors supplied with distorted voltage", Energy Conversion and Management, Vol. 49, pp. 707-717

상세보기
"http://www.youtube.com/watch?v0y64QiC9mkA"
"http://www.schneider-electric.hu/documents/automtion-and-control/asg-3-motors-and-loads.pdf"51-55

저자의 다른 논문 :

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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