[논문]소형 직류모터의 간략한 효율예측에 관한 연구

원성홍

doi:10.5370/kieep.2014.63.3.143

소형 직류모터의 간략한 효율예측에 관한 연구
A Study on a Simple Efficiency Estimation of Small DC Motor 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.3, 2014년, pp.143 - 148

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This paper proposes a novel efficiency measurement method without dynamometer. In case of small motor, the measurement of efficiency is not easy because the percentage of mechanical loss is comparably huge and the mechanical loss is not easy to be measured. In this paper, the authors proposes a meth...

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문제 정의

실제 두 개의 소형 DC모터를 사용하여 효율을 간이측정법으로 측정해 보고, 그 타당성을 알아보았다. 소형DC모터의 경우 다이나모미터를 이용한 측정이 쉽지 않으며, 특히 출력이 매우 작은 소형 DC모터의 경우에는 토크미터의 측정범위가 소형모터를 측정할 수 있는 범위에 있다고 해도, 측정용 지그나 설비자체의 기계적 손실과 부하가 커서 측정이 곤란한 경우가 많고, 측정용 커플링이나 고정 장치가 모터의 외형과 맞지 않아 측정에 어려움을 겪는 경우가 많다.

가설 설정

발전용 모터의 전기적 출력단자에 부하를 연결하지 않고 역기전력만 측정하는 경우 발전용 모터의 동손은 없고, 이 경우에도 발전용 모터의 기계적 손실 및 철손은 존재한다고 볼 수 있다. 그러므로 구동용 모터의 동손과 나머지 손실을 분리하여 나머지 손실은 발전용 모터와 동일하다고 가정하고, 구동용 모터의 동손은 측정된 등가저항과 전류 값으로 계산이 가능하므로 이를 이용하여 효율을 계산할 수 있다.
소형모터의 효율을 측정하기 위해 두 개 이상의 같은 모터를 이용하여 두 모터의 전기적, 기계적 특성은 같다고 가정하여 측정을 실시한다. 이 경우 두 모터의 회전축을 직결 하여, 하나는 전원을 인가하여 구동을 시키는 모터와 회전축으로부터 기계적 입력을 받아 역기전력을 발생시키는 발전기로 동작하는 모터로 나뉘게 된다.
구동모터가 공극을 통해 토크를 발생하기 위해서는 적층 철심에 자속이 발생하며 이 과정에서 히스테리시스손실, 와전류손실 등의 철손이 발생하게 된다. 이 철손은 회전자계의 주파수에 따라 변하는 값이 되므로 회전축을 통해 연결되어있는 구동모터와 발전용 모터는 같은 값을 갖는다고 가정할 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 소형DC모터의 기계적인 출력을 측정하는 대신 같은 특성을 가지는 2개의 모터를 직결하여 전기적인 입력에 대해 전기적인 출력을 측정하는 방법으로 모터의 효율을 측정하는 방법을 사용한다. 이 경우 측정이 어려운 기계적 출력 대신 비교적 측정이 용이하고 정확하게 측정할 수 있는 전기적 출력을 측정하는 방법으로 모터의 효율을 측정할 수 있으며, 기계적 손실이나 기어의 손실에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, 소형모터의 측정을 위한 별도의 지그나 측정용 설비를 갖출 필요가 없어 간이측정을 위해 매우 효과적인 방법이라고 볼 수 있다.
부하가 가해진 상태의 Matsushita의 MDN4RA3ETA모터의 효율을 측정하기 위하여 저항부하를 연결하여 측정하였다. 전자부하를 이용할 경우 다양한 운전영역에서의 모터의 효율측정이 가능하지만 간편한 측정비교를 위해 10Ω, 10W 의 세라믹저항을 이용하여 모터의 무하시 효율을 측정해 보고 이를 모터의 데이터 시트상의 특성과 비교하여 부하 시 측정의 효용성을 알아보았다.
상대적으로 측정이 어려운 토크와 속도를 이용한 기계적 측정법을 이용하는 대신 특성이 같은 두 개의 모터를 이용 하여 전기적 입력과 전기적 출력을 측정하는 방식으로 손실 분과 입출력 파워를 분리한 후 각 손실은 양 측 모터에 같은 양만큼 존재한다고 가정하여 전체시스템의 입력과 출력 파워를 이용하여 손실에 해당하는 전력을 분리해 내면 모터의 효율을 추정할 수 있게 된다.
실험에서는 전원인가를 위한 DC 전원공급기와 역기전력 측정을 위한 오실로스코프, 그리고 전류를 측정하기 위한 전류센서와 부하시 실험을 위한 세라믹 저항을 이용하였다. 전류센서는 디지털멀티미터로 대체하여 사용하여도 무방하다.
실험에 사용한 소형DC모터는 수W 이하 급의 소형DC모터로서 Matsushita MDN4RA3ETA모터를 이용하였고, 커플링으로 두 모터의 축계를 결합하여 각각 구동용 및 발전용 모터로 사용하였다. 이 실험을 이용하여 모터의 특성을 측정한 후 모터의 특성치와의 비교를 위해 모터 데이터시트상의 스팩과 측정치의 비교를 실시하였다.
전자부하를 이용할 경우 다양한 운전영역에서의 모터의 효율측정이 가능하지만 간편한 측정비교를 위해 10Ω, 10W 의 세라믹저항을 이용하여 모터의 무하시 효율을 측정해 보고 이를 모터의 데이터 시트상의 특성과 비교하여 부하 시 측정의 효용성을 알아보았다.
이 실험에서 무부하는 실제로는 발전용 모터의 기계적 손실분과 철손 분을 부하로 걸어준 것과 같으므로 실제 모터의 무부하 상태와는 차이가 있다. 측정한 방법의 효용성을 알아보기 위하여 Matsushita MDN4RA3ETA모터를 대상으로 측정하여 데이터 시트상에 나타난 시험용 모터의 특성과 비교하였다. 데이터 시트상에 표기되어 있는 데이터에 의하면, 3V구동 시 모터의 속도가 2800rpm정도에 이르렀을 때 전류는 약 54mA, 이때의 토크는 약 0.

대상 데이터

또한, 실제 실험에서 측정을 위해 사용한 모터는 일반적으로 많이 사용되는 브러시타입 DC모터로서 권선전류에 의한 동손과, 회전자 및 고정자코어의 철손이 있고, 축계의 기계적 손실에는 브러시의 접촉에 의한 손실이 포함된다. 동손을 계산하기 위해 사용되는 권선의 저항은 실제 권선의 저항 외에도 브러시가 회전하면서 접촉되는 면적이 계속 변하기 때문에 정지 상태에서 측정한 권선의 저항을 사용할 수 없으므로, 인가된 전압에서 역기전력성분을 제외한 전압강하와 측정된 전류량을 이용해서 등가 권선저항을 측정하여 사용해야 하며, 모터의 회전속도에 따라 약간씩 변화하는 값을 가지게 된다.
실험에 사용한 소형DC모터는 수W 이하 급의 소형DC모터로서 Matsushita MDN4RA3ETA모터를 이용하였고, 커플링으로 두 모터의 축계를 결합하여 각각 구동용 및 발전용 모터로 사용하였다. 이 실험을 이용하여 모터의 특성을 측정한 후 모터의 특성치와의 비교를 위해 모터 데이터시트상의 스팩과 측정치의 비교를 실시하였다.

성능/효과

7mNm가 된다. 데이터시트상에서 표기된 0.641mNm와 비교하면 데이터시트상의 토크가 측정치의 약 91%로서 오차는 9%이며, 간이측정법에 의한 토크측정치와 비교할 때 대략 10%이내의 오차를 가지는 것을 알 수 있다. 데이터시트의 값이 여러 양산모터의 평균치를 나타낸 것이고, 측정법이 간이측정임을 감안할 때 간이측정법이 효용성이 있음을 알 수 있다.
641mNm와 비교하면 데이터시트상의 토크가 측정치의 약 91%로서 오차는 9%이며, 간이측정법에 의한 토크측정치와 비교할 때 대략 10%이내의 오차를 가지는 것을 알 수 있다. 데이터시트의 값이 여러 양산모터의 평균치를 나타낸 것이고, 측정법이 간이측정임을 감안할 때 간이측정법이 효용성이 있음을 알 수 있다. 표 2에 전압을 변화시켜가면서 부하시의 모터의 효율을 측정한 결과를 나타내었다.
이때는 발전용 모터의 전기적 출력이 없는 상태이므로 구동용 모터의 기계적 출력은 발전용 모터의 철손과 기계손과 같다. 이 철손과 기계손은 구동용 모터에도 같은 양이 존재하므로 결론적으로 구동용 모터의 동손을 제외한 손실은 기계적 출력과 같아져서 구동용 모터의 동손이 매우 적은 경우에도 모터의 출력이 손실을 넘을 수 없으므로 모터의 효율이 50%이상인 구간은 측정할 수 없다.

후속연구

따라서, 본 논문에서 제시된 소형 DC모터의 전기적 특성치 측정을 통한 간이 효율예측법을 이용하면 모터단품의 효율을 예측할 수 있고 시스템에 장착되기 이전에 모터의 특성을 평가할 수 있어 소형DC모터를 이용한 제품개발에 응용할 시 매우 큰 생산성의 향상과 개발기간의 단축을 이룩할 수 있으리라 예상된다.
또한 본 논문에서는 소형DC모터의 경우에 한정하여 측정하였지만, 영구자석의 위치에 따라 일정하게 전류가 절환되는 소형BLDC의 경우에도 측정이 가능하도록 확장될 수 있을 것이라 판단되며, 부하각이 수시로 변동되는 PMSM이 아니라면 다른 형태의 소형모터 측정에도 응용될 수 있을 것으로 예상되어 추후 추가적인 연구가 필요하리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형DC모터가 사용되는 분야는?	소형DC모터가 사용되는 주요용도가 완구용이나 간단한 액세서리, 소형가전의 간단한 동작으로부터 전장용의 펌프, 사이드미러 동작용 모터에 이르기까지 매우 다양하기 때문에 이런 모터들을 위한 별도의 측정 장치를 구성하는 것도 용의하지 않은 일이 되며, 반면 속도의 범위는 매우 다양하고, 어느 정도 이상의 출력을 가지고 있는 경우에도 토크보다는 속도가 높은 경우가 많아 직접적인 기계적 출력을 측정하는 것이 어려운 경우가 발생한다[4].
	소형DC모터와 같은 특성을 가지는 2개의 모터를 직결하여 전기적인 입력에 대해 전기적인 출력을 측정하는 방법으로 모터의 효율을 측청하는 방법이 효과적인 이유는?	본 논문에서는 소형DC모터의 기계적인 출력을 측정하는 대신 같은 특성을 가지는 2개의 모터를 직결하여 전기적인 입력에 대해 전기적인 출력을 측정하는 방법으로 모터의 효율을 측정하는 방법을 사용한다. 이 경우 측정이 어려운 기계적 출력 대신 비교적 측정이 용이하고 정확하게 측정할수 있는 전기적 출력을 측정하는 방법으로 모터의 효율을 측정할 수 있으며, 기계적 손실이나 기어의 손실에 의한 영향을 최소화 할 수 있으며, 소형모터의 측정을 위한 별도의 지그나 측정용 설비를 갖출 필요가 없어 간이측정을 위해 매우 효과적인 방법이라고 볼 수 있다.
	소형DC모터의 경우 다이나모미터를 이용한 측정은 어떠한가?	실제 두 개의 소형 DC모터를 사용하여 효율을 간이측정법으로 측정해 보고, 그 타당성을 알아보았다. 소형DC모터의 경우 다이나모미터를 이용한 측정이 쉽지 않으며, 특히 출력이 매우 작은 소형 DC모터의 경우에는 토크미터의 측정범위가 소형모터를 측정할 수 있는 범위에 있다고 해도, 측정용 지그나 설비자체의 기계적 손실과 부하가 커서 측정이 곤란한 경우가 많고, 측정용 커플링이나 고정 장치가 모터의 외형과 맞지 않아 측정에 어려움을 겪는 경우가 많다.

참고문헌 (6)

T Oikawa, T Tajima, K masumoto, H Akita, H Kawaguchi, "Development Of High Efficiency Brushless DC Motor With New Manufacturing Method Of Stator For Compressors", International Compressor Engineering Conference, Purdue University Purdue e-Pubs, 2002
Yuji Nakahara, 2001, "Study of manufacturing technology of middle and small sized motors with dividing stator cores", The journal of the Japan society for precision engineering, Vol. 67, No. 3, 2001
Ju Lee, Energy Conversion Lab., "Electric Machinery", Hongrung Publishing Company, 2011.2.25
Sanghun Kim, "DC,AC, BLDC Motor Control", Bogdoo Publishing Company, 2010.8.20
Korea Electric Association Editorial Dept.,"High Efficiency Industrial Motors", Electric Journal 2002.9, pp.77-82
"Determining Electric Motor Load and Efficiency", U.S. Department of Energy

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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