[논문]코깅토크 저감을 위한 BLDC 전동기의 형상 설계 및 특성 분석

서경식; 정상용; 이철균

doi:10.5370/kiee.2014.63.11.1519

코깅토크 저감을 위한 BLDC 전동기의 형상 설계 및 특성 분석
Topology Design of BLDC Motor for Cogging Torque Reduction and Characteristic Analysis 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.11, 2014년, pp.1519 - 1525

서경식 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan Univerity) , 정상용 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Sungkyunkwan Univerity) , 이철균 (Dept. of Electrical Engineering, Dong-Eui Univerity)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the shape design for reducing cogging torque and characteristic analysis in Brushless DC (BLDC) motor. In this BLDC motor, ${\Delta}$(delta)-winding is applied, and in order to obtain the $60^{\circ}$ trapezoidal phase back-EMF waveform, permanent magnet shape design is carried out. And then, a method on specifying design parameters to effectively reduce cogging torque is developed. back-EMF, input voltage and input current which are analyzed by the Finite Element Method (FEM) are validated by experimental results. Also, efficiency calculations based on analysis and experimental results are performed and analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 적용된 결선법에 대응하여 전기각 60° 평평한 구간을 갖는 사다리꼴 역기전력 파형을 얻기 위한 회전자 영구자석형상 설계가 우선 수행되었다.
식 (7)에서 보여 지듯이 코깅토크에 영향을 미치는 요소들은 다양하게 존재하고, 따라서, 전동기를 설계할 때, 최적의 재료를 선정하거나, 고정자나 회전자의 형상 설계 등을 통해 코깅토크를 감소시킬 수 있다. 본 논문에서는 BLDC 전동기의 고정자 치에 설계변수를 설정하여 코깅토크를 저감시키기 위한 형상 설계를 수행하였다.
본 논문에서는 BLDC 전동기의 고정자 치에 설계변수를 지정하여 형상의 변화를 통해 코깅토크를 저감하기 위한 설계를 수행하였고, 비선형 유한요소해석을 통하여 구조적 성능을 분석하였다. 그리고 설계한 BLDC 전동기에 대하여 역기전력 및 전압, 전류 특성 해석을 진행하였고, 해석 결과는 시제작품의 실험 결과를 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 BLDC 전동기의 코깅토크 저감을 위한 고정자 치의 형상 설계를 수행하였다. 그리고 역기전력, 전류, 전압에 대해 전자기적 특성 해석을 수행하였으며, 시제작품의 실험 결과를 통해 검증하였다.

제안 방법

BLDC 전동기 설계 시, 적용된 Δ-결선법에 따라 전기각 60° 평평한 구간을 갖는 사다리꼴 역기전력 파형을 얻기 위한 회전자 영구자석 형상 설계를 우선 수행하였고, 코깅토크를 저감하기 위해 고정자 치에 설계변수를 설정하여 형상 설계를 수행하였다.
본 논문에서는 BLDC 전동기의 고정자 치에 설계변수를 지정하여 형상의 변화를 통해 코깅토크를 저감하기 위한 설계를 수행하였고, 비선형 유한요소해석을 통하여 구조적 성능을 분석하였다. 그리고 설계한 BLDC 전동기에 대하여 역기전력 및 전압, 전류 특성 해석을 진행하였고, 해석 결과는 시제작품의 실험 결과를 통하여 검증하였다. 또한, 해석 및 실험을 통해 얻어진 결과를 이용하여 BLDC 전동기의 효율을 계산하였고 비교 및 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 BLDC 전동기의 코깅토크 저감을 위한 고정자 치의 형상 설계를 수행하였다. 그리고 역기전력, 전류, 전압에 대해 전자기적 특성 해석을 수행하였으며, 시제작품의 실험 결과를 통해 검증하였다. 또한, 해석 및 실험 결과를 이용하여 효율을 계산하고 비교 및 분석을 수행하였다.
그리고 역기전력, 전류, 전압에 대해 전자기적 특성 해석을 수행하였으며, 시제작품의 실험 결과를 통해 검증하였다. 또한, 해석 및 실험 결과를 이용하여 효율을 계산하고 비교 및 분석을 수행하였다.
본 논문에서 설계되는 BLDC 전동기는 최대 입력전압 9V인 조건하에서 표 1에 제시어되 있는 운전점 A와 운전점 B에서 구동이 되어야 한다, 각 운전점에서의 출력, 속도, 토크는 전동기 설계에 있어 목표 성능사양이 되고, 이를 고려하여 BLDC 전동기의 고정자 외경과 적층길이를 결정하였다. 설계하는 BLDC 전동기의 외경과 적층길이는 각각 38mm, 35mm로 결정하였고, 4극 6슬롯 구조를 채택하였으며, 영구자석은 Ferrite-9BD를 사용하였다.
슬롯 개구폭 길이는 코일 권선 노즐의 두께를 반영한 최소 길이로 설정하였고, 슬롯 웨지 두께와 공극 길이는 제작시 허용되는 최소 길이를 적용하였다. 위와 같이 설계변수를 설정하면 전동기 제작 시 제약 조건을 가지는 변수들을 고정자 치 형상을 변형시키는 변수 X의 영향으로부터 벗어나게 하여 고정시킬 수 있고, 또한 설계변수 X의 변화만 줌으로써 빠르고 신뢰성 높은 설계를 수행할 수 있다.
영구자석의 폭을 줄임으로써 3상 Δ-결선을 적용한 BLDC 전동기에 적합한 60° 평평한 구간을 갖는 사다리꼴 형태의 역기전력 파형을 유도하였으며, 영구자석에 모서리를 절삭하여 형상에 변화를 주는 챔퍼링을 적용하여 토크리플을 줄이기 위한 설계를 수행하였다.

대상 데이터

본 논문에서 설계되는 BLDC 전동기는 최대 입력전압 9V인 조건하에서 표 1에 제시어되 있는 운전점 A와 운전점 B에서 구동이 되어야 한다, 각 운전점에서의 출력, 속도, 토크는 전동기 설계에 있어 목표 성능사양이 되고, 이를 고려하여 BLDC 전동기의 고정자 외경과 적층길이를 결정하였다. 설계하는 BLDC 전동기의 외경과 적층길이는 각각 38mm, 35mm로 결정하였고, 4극 6슬롯 구조를 채택하였으며, 영구자석은 Ferrite-9BD를 사용하였다. 자세한 설계 제원은 표 2에 나타내었다.

데이터처리

그리고 설계한 BLDC 전동기에 대하여 역기전력 및 전압, 전류 특성 해석을 진행하였고, 해석 결과는 시제작품의 실험 결과를 통하여 검증하였다. 또한, 해석 및 실험을 통해 얻어진 결과를 이용하여 BLDC 전동기의 효율을 계산하였고 비교 및 분석을 수행하였다. 본 논문에서 설계하는 BLDC 전동기에는 Δ(델타)-결선법이 적용된다.

이론/모형

본 논문에서 설계하는 BLDC 전동기는 Δ-결선법이 적용된다.
본 논문에서 설계하는 BLDC 전동기에는 Δ(델타)-결선법이 적용된다.

성능/효과

그림 6은 BLDC 전동기의 초기 단계에서 구상 설계한 모델과 코깅토크 저감을 목표로 진행한 개선 설계 최종 모델의 고정자 형상을 비교하여 나타내었다. 개선 모델을 보면, 기존의 고정자 치에 노치(notch)를 적용한 결과가 나타나며, 전동기 출력에는 영향을 적게 주면서 코깅토크를 저감시키는 효과를 얻을 수 있었다. 그림 7은 초기 모델과 개선 모델에서 발생하는 코깅토크의 맥동을 비교하여 보여준다.
BLDC 전동기 설계 시, 적용된 Δ-결선법에 따라 전기각 60° 평평한 구간을 갖는 사다리꼴 역기전력 파형을 얻기 위한 회전자 영구자석 형상 설계를 우선 수행하였고, 코깅토크를 저감하기 위해 고정자 치에 설계변수를 설정하여 형상 설계를 수행하였다. 그 결과, 형상 개선 모델에서 발생하는 코깅토크는 초기 모델에 비해 약 70%가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
표 3은 설계한 BLDC 전동기 개선모델의 해석 결과와 시제작품의 실험 결과를 바탕으로 입력 소비전력 및 출력전력, 효율을 운전점별로 나타낸 것이다. 먼저, 초기모델과 개선모델의 해석결과를 통해 효율을 계산하여 비교해보았을 때, 개선모델에서의 효율이 초기모델 효율에 비해 동손의 증가로 인하여 운전점 A와 B 운전 시 각각 약 2.10%, 2.79% 감소하였다. 전체적으로 비교를 하면, 운전점 A에서의 효율이 운전점 B에서의 효율보다 낮은 결과를 나타내는데, 이 결과는, 비교적 고 토크의 구동으로 인한 높은 입력전류의 인가와 그로 인한 동손의 증가가 원인이라 할 수 있다.
본 논문에서 설계된 BLDC 전동기는 6-step 제어 및 Δ-결선을 사용하므로, 전동기 Δ-결선방식의 권선에 인가되는 선간전압 및 선전류는 전기각 60°구간마다 반복적인 패턴으로 인가된다.
설계한 BLDC 전동기에 발생하는 역기전력과 주워진 운전점에서 인가되는 전압 및 전류의 전자기적 특성에 대한 유한요소 해석결과와 시제작품 실험결과가 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 효율 특성 분석에 있어서도 해석치와 실험치가 비교적 잘 일치하였고, 약간의 오차가 발생하는 것은 풍손 및 기계적 마찰손 등의 영향에 의한 결과라 사료된다.
그림 10은 BLDC 전동기의 토크리플 저감 개선 설계 모델에 대하여 비선형 유한요소해석을 통해 얻은 역기전력과, 시제작품의 실험을 통해 얻은 역기전력의 파형을 나타낸다. 이 때, 전동기는 1000rpm으로 회전을 하며, 해석 결과에서 역기전력의 최대값은 1.26V이고, 실험 결과에서는 약 4.0% 높은 1.31V가 측정되었다.
79% 감소하였다. 전체적으로 비교를 하면, 운전점 A에서의 효율이 운전점 B에서의 효율보다 낮은 결과를 나타내는데, 이 결과는, 비교적 고 토크의 구동으로 인한 높은 입력전류의 인가와 그로 인한 동손의 증가가 원인이라 할 수 있다. 해석결과와 실험결과간의 효율 차이는 운전점 A와 B에서 각각 약 2.
영구자석의 폭을 줄임으로써 3상 Δ-결선을 적용한 BLDC 전동기에 적합한 60° 평평한 구간을 갖는 사다리꼴 형태의 역기전력 파형을 유도하였으며, 영구자석에 모서리를 절삭하여 형상에 변화를 주는 챔퍼링을 적용하여 토크리플을 줄이기 위한 설계를 수행하였다. 토크 리플은 운전점 A에서 18.5%, 운전점 B에서는 18.4%로 초기 모델에 비해 각각 약 45.4%, 49.7% 저감되었다. 코깅토크는 약 8.
전체적으로 비교를 하면, 운전점 A에서의 효율이 운전점 B에서의 효율보다 낮은 결과를 나타내는데, 이 결과는, 비교적 고 토크의 구동으로 인한 높은 입력전류의 인가와 그로 인한 동손의 증가가 원인이라 할 수 있다. 해석결과와 실험결과간의 효율 차이는 운전점 A와 B에서 각각 약 2.87%, 2.64%로 나타나는데, 이 차이는 풍손 및 기계적 마찰손 등이 해석단계에서 고려되지 않았기 때문이라 사료된다.
그림 3은 속도가 1000rpm으로 회전할 때 초기 모델과 회전자 영구자석 형상 개선 모델에 대한 BLDC 전동기의 역기전력 파형을 보여준다. 회전자 영구자석의 형상 개선 설계를 통하여 토크리플을 감소시켰을 뿐만 아니라 영구자석 사용량을 초기모델에 비해 15.0% 저감시켰다.

후속연구

효율 특성 분석에 있어서도 해석치와 실험치가 비교적 잘 일치하였고, 약간의 오차가 발생하는 것은 풍손 및 기계적 마찰손 등의 영향에 의한 결과라 사료된다. 전동기에 발생한 동손은 효율 증감에 주요한 영향을 미쳤는데, 코일 점적율 향상, 공극 자속밀도 증가 등의 방안을 전동기 설계 시에 추가적으로 고려한다면 동손을 줄이고 효율을 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DC 전동기의 특징은 무엇인가?	DC 전동기는 대응성 및 제어성이 우수하지만 기계적 접촉 구조를 갖는 브러시와 정류자로 인해 마찰에 의한 잡음이 발생하고, 고속운전이 불가능하며, 브러시 마모에 의한 정기적인 보수가 필요하다. 그에 반해, BLDC 전동기는 DC전동기에 사용되는 정류 기구를 제거하고, 회전자 위치를 검출하는 센서와 상전류를 전환시키는 반도체 소자를 사용하기 때문에 고속운전이나 장시간 사용이 가능하다.
	브러시리스 DC 전동기의 특징은 무엇인가?	브러시리스(Brushless) DC 전동기(BLDC Motor)는 넓은 운전영역, 고 출력 및 토크밀도, 높은 내구성 등 우수한 특성을 가지고 있으며, 구동방식이 간단하고 가격이 저렴하여 항공, 차량, 군용, 컴퓨터, 가전에 이르는 다양한 제품에서 사용되고 있다[1]-[3]. 뿐만 아니라 전장의 고급화가 진행되면서 기존에 사용하던 DC모터의 대안으로 BLDC 전동기가 적용되고 있다.
	BLDC 전동기 설계시 필수적으로 고려해야 하는 사항은 무엇인가?	BLDC 전동기는 고성능 전동기의 구현을 위한 고 에너지 영구자석의 사용과 슬롯 개구폭의 존재로 인해 필연적으로 큰 코깅토크가 발생하게 된다. 코깅토크는 전동기에 가해지는 가진력으로서 소음과 진동의 원인이 되고, 따라서, 코깅토크의 저감은 전동기 설계 시 필수적으로 고려되어야 할 사항이다. 일반적으로 알려진 코깅토크를 저감할 수 있는 방법으로 공극 길이 증가, 분수 슬롯 또는 극 사용, 다수의 슬롯 또는 극 사용, 치 폭 증가, 슬롯 개구폭 감소, 고정자나 회전자에 스큐 적용, 낮은 자속밀도를 가진 자석 사용, 자석 혹은 고정자 치의 형상 변화 등 다양하게 소개되어 있다[4].

참고문헌 (8)

P. Ragot, M. Markovic, and Y. Perriard, "Optimization of Electric Motor for a Solar Airplane Application," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 42, no. 4, pp. 1053-1061, July/August 2006.

상세보기
X. Huang, A. Goodman, C. Gerada, Y. Fang, and Q. Lu, "Design of a Five-Phase Brushless DC Motor for a Safety Critical Aerospace Application," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 59, no. 9, pp. 3532-3541, September 2012.

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N. P. Shah, A. D. Hirzel, and B. Cho "Transmissionless Selectively Aligned Surface- Permanent-Magnet BLDC Motor in Hybrid Electric Vehicles," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 57, no. 2, pp. 669-677, February 2010.

상세보기
J. R. Hendershot and T. J. E. Miller, Design of Brushless Permanent-Magnet Motors. Hillsboro, OH: Oxford: Magna Physics Pub. ; Clarendon Press, 1994.
J. H. Choi, J. H. Kim, D. H. Kim, and Y. S. Beak, "Design and Parametric Analysis of Axial Flux PM Motors With Minimized Cogging Torque," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 45, no. 6, pp. 2855-2858, June 2009.

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P. S. Shin, H. D. Kim, G. B. Chung, H. S. Yoon, G. S. Park, and C. S. Koh, "Shape Optimization of a Large-Scale BLDC Motor Using an Adaptive RSM Utilizing Design Sensitivity Analysis," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 43, no. 4, pp. 1653-1656, April 2007.

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M. Fazil, and K. R. Rajagopal, "A Novel Air-Gap Profile of Single-Phase Permanent-Magnet Brushless DC Motor for Starting Torque Improvement and Cogging Torque Reduction," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 46, no. 11, pp. 3928-3932, November 2010.

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H. S. Kim, Y. M. You, and B. I. Kwon, "Rotor Shape Optimization of Interior Permanent Magnet BLDC Motor According to Magnetization Direction," IEEE Trans. on Magnetics, vol. 49, no. 5, pp. 2193-2196, May 2013.

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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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