BLDC 전동기에서 회전자 자석의 조립 공차에 따른 코깅토크 특성변화와 소음진동 불량 평가에 관한 연구 A Study on Characteristic of Cogging Torque due to Assembly Tolerances of Magnet on Rotor and Evaluation of Noise and Vibration in Brushless DC Motor원문보기
BLDC 전동기의 코깅토크는 영구자석과 철심의 상호작용에 의해 발생하고 소음과 진동을 발생시키는 요인이다. 제조 과정에서 조립 공차로 인해 영구자석이 회전자 철심 면에 제대로 붙지 않을 경우 BLDC 전동기의 전자기적 구조가 변할 수 있다. 본 논문에서는 조립 공차로 인해 자석이 회전자 표면과 분리되었을 때 코깅토크에 미치는 영향에 대해 연구했다. 핵심적인 설계 요소들인 회전자와 자석 간 분리, 분리를 가진 자석 수, 이웃한 자석들 간의 여러 배치형태를 고려했다. 코깅토크 해석을 위해 유한요소법을 사용하였고, 소음진동을 발생시키지 않는 조립 공차를 제안했다. 제안된 조립 공차로 제작된 BLDC 전동기의 코깅토크는 감소되었고 소음진동 또한 줄어들 것이라고 판단된다.
BLDC 전동기의 코깅토크는 영구자석과 철심의 상호작용에 의해 발생하고 소음과 진동을 발생시키는 요인이다. 제조 과정에서 조립 공차로 인해 영구자석이 회전자 철심 면에 제대로 붙지 않을 경우 BLDC 전동기의 전자기적 구조가 변할 수 있다. 본 논문에서는 조립 공차로 인해 자석이 회전자 표면과 분리되었을 때 코깅토크에 미치는 영향에 대해 연구했다. 핵심적인 설계 요소들인 회전자와 자석 간 분리, 분리를 가진 자석 수, 이웃한 자석들 간의 여러 배치형태를 고려했다. 코깅토크 해석을 위해 유한요소법을 사용하였고, 소음진동을 발생시키지 않는 조립 공차를 제안했다. 제안된 조립 공차로 제작된 BLDC 전동기의 코깅토크는 감소되었고 소음진동 또한 줄어들 것이라고 판단된다.
The cogging torque of a brushless dc (BLDC) motor results from the interaction between permanent magnets and iron core, and it causes noise and induce vibrations. During a manufacturing process, assembly tolerances lead to the change of the electromagnetic structure of a BLDC motor where permanent m...
The cogging torque of a brushless dc (BLDC) motor results from the interaction between permanent magnets and iron core, and it causes noise and induce vibrations. During a manufacturing process, assembly tolerances lead to the change of the electromagnetic structure of a BLDC motor where permanent magnets are not properly glued to the surface of rotor core. In this paper, the effect of magnet separation from the surface of rotor core on the cogging torque is investigated due to assembly tolerance. The relationship with key design parameters is considered such as separation between magnets and rotor core, the number of magnets having separation, as well as the several types of arrangements among neighboring magnets. Finite element method (FEM) has been used to analyze a BLDC motor, and the allowable assembly tolerance is proposed to prevent generating noise and vibrations. Within proposed assembly tolerance, it is concluded that the cogging torque of a BLDC motor is decreased, and hence noise and vibrations.
The cogging torque of a brushless dc (BLDC) motor results from the interaction between permanent magnets and iron core, and it causes noise and induce vibrations. During a manufacturing process, assembly tolerances lead to the change of the electromagnetic structure of a BLDC motor where permanent magnets are not properly glued to the surface of rotor core. In this paper, the effect of magnet separation from the surface of rotor core on the cogging torque is investigated due to assembly tolerance. The relationship with key design parameters is considered such as separation between magnets and rotor core, the number of magnets having separation, as well as the several types of arrangements among neighboring magnets. Finite element method (FEM) has been used to analyze a BLDC motor, and the allowable assembly tolerance is proposed to prevent generating noise and vibrations. Within proposed assembly tolerance, it is concluded that the cogging torque of a BLDC motor is decreased, and hence noise and vibrations.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 실제 제작된 전동기의 코깅토크와 소음진동의 관계를 측정하고, 영구자석 조립 공차로 발생할 수 있는 코깅토크를 분석하여 소음진동이 발생하는 코깅토크 이하가 되는 조립 공차를 제시하고자 한다. Skew, 분수 극/슬롯 적용, 입력 전류 파형 제어 등의 코깅토크를 줄이는 방법[5]이 있지만 본 논문에서는 형상을 변경하지 않고 기 설계된 전동기의 영구자석 조립 공차를 줄임으로써 코깅토크를 관리하고자 한다. 전동기의 영구자석 조립 형상을 여러 가지 경우에 대해 모델링하고 FEM을 이용하여 코깅토크를 분석함으로써 소음진동이 발생하지 않는 조립 공차를 제시하였다.
따라서 본 논문에서는 실제 제작된 전동기의 코깅토크와 소음진동의 관계를 측정하고, 영구자석 조립 공차로 발생할 수 있는 코깅토크를 분석하여 소음진동이 발생하는 코깅토크 이하가 되는 조립 공차를 제시하고자 한다. Skew, 분수 극/슬롯 적용, 입력 전류 파형 제어 등의 코깅토크를 줄이는 방법[5]이 있지만 본 논문에서는 형상을 변경하지 않고 기 설계된 전동기의 영구자석 조립 공차를 줄임으로써 코깅토크를 관리하고자 한다.
2와 같이 회전자 철심 면에 영구자석이 접착되어 있는 구조이고, 이 때 영구자석이 회전자 철심에 고르게 접착되지 못할 경우 영구 자석과 고정자 슬롯 간 공극에서의 자기장이 불균일하게 되어 코깅토크에 영향을 줄 수 있다. 본 논문에서는 영구자석이 회전자 철심으로부터 한쪽으로부터 분리가 발생할 경우에 대해서만 고려한다. 코깅토크가 클 경우 소음진동이 발생할 수 있으며 실제 제작한 시료들에 대해 코깅토크를 측정하고 그에 따라 자체적으로 평가한 소음진동 수준을 Fig.
본 논문에서는 유도탄 날개구동용 전동기에서 발생하는 소음진동을 억제하기 위한 회전자 영구자석의 조립 공차를 제시하였다. 소음진동이 발생하는 코깅토크를 불량 평가기준으로 산정하고, 회전자 영구자석의 조립 공차로 인한 분리로 발생하는 코깅토크를 FEM을 이용하여 분석하였다.
제안 방법
분리를 가지는 평행한 영구자석이 하나일 때보다 두개가 인접할 경우 코깅토크가 커졌다. 따라서 여러 극의 조합에 대한 영향을 분석할 필요가 있고, 분리를 가지는 평행한 영구 자석의 극수에 따른 코깅토크를 분석하기 위해 Fig. 7과 같이 극수를 증가시키면서 가능한 배치에 대해 모델링하였다. 가능한 배치는 두 극일 경우 (a)~(c), 세 극일 경우 (d)~(f), 네 극일 경우 (g)~(i), 다섯 극일경우 (j), 여섯 극일 경우 (k)와 같으며 이를 해석하여 한 주기에 대한 각 배치별 코깅 토크 파형을 Fig.
코깅토크는 여러 극이 이루는 상호 자기회로의 조합에 의해 발생하기 때문에 극끼리의 영향을 독립적으로 해석해서는 안된다. 상호 영향에 대해 분석하기 위해 우선 두 개의 분리된 높이를 가진 영구자석이 인접할 경우 코깅토크에 끼치는 영향을 확인하였다. Fig.
본 논문에서는 유도탄 날개구동용 전동기에서 발생하는 소음진동을 억제하기 위한 회전자 영구자석의 조립 공차를 제시하였다. 소음진동이 발생하는 코깅토크를 불량 평가기준으로 산정하고, 회전자 영구자석의 조립 공차로 인한 분리로 발생하는 코깅토크를 FEM을 이용하여 분석하였다. 분리높이가 클수록 코깅토크가 증가하였고 평행하게 배치된 구조에서 코깅토크가 큰 값을 나타내었다.
Skew, 분수 극/슬롯 적용, 입력 전류 파형 제어 등의 코깅토크를 줄이는 방법[5]이 있지만 본 논문에서는 형상을 변경하지 않고 기 설계된 전동기의 영구자석 조립 공차를 줄임으로써 코깅토크를 관리하고자 한다. 전동기의 영구자석 조립 형상을 여러 가지 경우에 대해 모델링하고 FEM을 이용하여 코깅토크를 분석함으로써 소음진동이 발생하지 않는 조립 공차를 제시하였다.
대상 데이터
본 논문의 대상인 전동기는 유도탄 날개구동용 전동기이고 기 설계된 것으로서 주요 제원은 Table I과 같다. 전동기의 형상은 Fig.
성능/효과
h가 증가함에 따라 영구자석과 고정자 슬롯 간 공극에서의 자기저항이 줄어들기 때문에 코깅토크가 증가한다. 회전자 영구자석 한 극의 높이 h의 변화에 대해 이상적으로 조립된 전동기에서 발생할 수 있는 최대 코깅토크와의 차이가 최대 약 4% 나는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
그리고 모든 극에 대해 평행하게 배치되었을 때 코깅토크 값이 가장 컸고 이러한 구조에서 분리높이에 따른 코깅토크를 분석했을 때 소음진동이 발생하는 코깅토크 이하가 되는 분리높이를 산출하였다. 이를 조립 공차에 적용하였고 고노 게이지를 제작하여 조립 공차를 벗어난 회전자를 걸러냄으로써 제작되는 전동기의 소음진동을 원천 차단할 수 있고 전동기의 안정성, 신뢰성 향상에 기여할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BLDC 전동기의 코깅토크의 발생 원인은?
BLDC 전동기의 코깅토크는 영구자석과 철심의 상호작용에 의해 발생하고 소음과 진동을 발생시키는 요인이다. 제조 과정에서 조립 공차로 인해 영구자석이 회전자 철심 면에 제대로 붙지 않을 경우 BLDC 전동기의 전자기적 구조가 변할 수 있다.
코깅토크의 여러 극의 조합에 대한 영향을 분석할 필요가 있는 이유는?
분리를 가지는 평행한 영구자석이 하나일 때보다 두개가 인접할 경우 코깅토크가 커졌다. 따라서 여러 극의 조합에 대한 영향을 분석할 필요가 있고, 분리를 가지는 평행한 영구 자석의 극수에 따른 코깅토크를 분석하기 위해 Fig.
코깅토크이란?
코깅토크는 회전자/고정자의 철심과, 회전자 영구자석, 공극으로 구성되는 자기회로에서 자기저항이 최소가 되도록 작용하는 힘이고[5], 맥스웰 응력 텐서법(Maxwell Stress Tensor)을 이용하여 2차원 원통형 대칭일 경우 식(1)로 표현된다[6].
참고문헌 (6)
K. J. Han, H. S. Cho, D. H. Cho, and H. K. Jung, IEEE Trans. Magn. 36, 1927 (2000).
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