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문제 정의
- 본 논문에서는 코깅토크 저감을 위해 2개의 노치를 이용한 Sloping 노치의 코깅토크 저감 방법을 제안하였다. 3D 유한요소 해석을 통하여 코깅토크를 확인하였으며, 비대칭 노치를 적용한 해석의 정확성을 검증하기 위해 기존모델의 실험 결과와 비교하였다.
제안 방법
- 3D 유한요소해석 방법을 통해 외전형 단상 BLDC 전동기의 특성해석을 진행하였다. 비대칭 노치가 적용된 기존모델의 경우 특성해석 결과는 그림 4와 같다.
- Sloping 노치의 선형 변수 해석을 위한 변수 및 범위는 아래와 같다. Sloping 각도만을 변수로 선정하고, 노치의 각도는 서로 겹치지 않는 각도까지의 범위로 설정하였다. 이에따른 Sloping 노치를 적용한 코깅토크 해석결과 그림 6과 같다.
- 본 논문에 사용된 전동기는 환풍시스템에 적용하기 위한 120[W]급 단상 BLDC 전동기로 설계 사양 및 제원은 표 1과 같으며 전동기 형상은 그림 1과 같다. 단상 브러시리스 직류전동기는 극수와 슬롯수고 1:1이 되어야 하고 권선공간의 확보와 효율성을 고려하여 8극 8슬롯의 구조를 채택하였다. 환풍시스템을 고려하여 외경을 94[mm]로 하고, 회전자와 고정자 사이의 공극을 0.
- 단상 브러시리스 직류전동기의 토크가 발생하지 않는 deadpoint 문제를 해결하기 위해 고정자 치를 비대칭으로 설계하였으며, 코깅토크 저감을 위해 적용이 쉽고, 간단하며 제작 비용면에서 비교적 저렴한 방법인 노치를 고정자 치에 적용하였다. 노치적용 방법은 기존모델의 경우 그림 2(a)와 같이 고정자 치를 중심으로 2개의 노치의 위치 및 크기가 다른 노치가 적용 되었다.
- 그러나 Sloping 노치 모델의 경우 형상 특징상 3D 모델링으로만 표현이 가능하여 2D 유한요소해석으로는 불가능 하다. 따라서 기존모델의 2D 유한요소해석을 3D로 변환하여 재해석하였으며 그림 3과 같은 해석 결과와 그림 5의 실험결과를 비교하여 3D 유한요소 해석의 타당성을 검증 후 Sloping 노치 모델의 해석을 진행하였다. 실험진행을 위한 코깅토크 측정 장비 및 실험 구성은 그림 4와 같으며, 사용한 코깅토크메타는 0.
- 또한 전류밀도를 고려하여 0.55[Φ] 권선을 사용하였으며, Ferrite 영구자석을 사용하였다.
- 본 논문에서는 코깅토크를 저감하기 위해 고정자 치에 기존과는 다른 2개의 노치를 적용하였다. 2개의 노치는 서로다른 비대칭 위치에 서로 다른 각도의 사선으로 되어진 Sloping 노치를 사용하였다.
- 코깅토크 저감을 위해 노치의 위치, 크기 및 각도 등을 고려하여 적용하였다. 비대칭 노치가 적용 된 기존모델의 코깅토크 실험결과와 3D 해석결과 비교를 통해 3D해석의 정확성을 검증한 후 기존모델, Sloping 노치 모델과 Step-Sloping 노치 모델의 특성해석 결과 비교를 통해 본 논문의 타당성을 검증하였다.
- 식 (4)에서 알 수 있듯이 BnNL과 GnNL 값에 의해 코깅토크가 결정 되며, 여기서 GnNL값은 고정자 치에 노치를 적용하게 되면 상대 공극 함수의 형상이 바뀌게 되고, 유효 슬롯수(실제 슬롯수와 노치수를 합한 개수)가 변함에 따라 GnNL의 값이 달라지게 되므로, 노치를 조절하여 적용함에 따라 코깅토크가 저감됨을 알 수 있으며, 본 논문에서는 노치적용의 유효성을 확인하기 위해서 노치 2개를 적용하였다.
- 하지만 이 경우 사선으로 각도를 주어 제작하게 되면 제작이 쉽지 않아 노치를 사용하는 이점이 줄어든다. 이에 제작을 용이하게 하기 위하여 사선 각도를 나누어 적용하는 StepSloping 노치를 적용하였다. 코깅토크 저감을 위해 노치의 위치, 크기 및 각도 등을 고려하여 적용하였다.
- 이에 제작을 용이하게 하기 위하여 사선 각도를 나누어 적용하는 StepSloping 노치를 적용하였다. 코깅토크 저감을 위해 노치의 위치, 크기 및 각도 등을 고려하여 적용하였다. 비대칭 노치가 적용 된 기존모델의 코깅토크 실험결과와 3D 해석결과 비교를 통해 3D해석의 정확성을 검증한 후 기존모델, Sloping 노치 모델과 Step-Sloping 노치 모델의 특성해석 결과 비교를 통해 본 논문의 타당성을 검증하였다.
- 단상 브러시리스 직류전동기는 극수와 슬롯수고 1:1이 되어야 하고 권선공간의 확보와 효율성을 고려하여 8극 8슬롯의 구조를 채택하였다. 환풍시스템을 고려하여 외경을 94[mm]로 하고, 회전자와 고정자 사이의 공극을 0.7[mm]로 하였다. 또한 전류밀도를 고려하여 0.
대상 데이터
- 본 논문에서는 코깅토크를 저감하기 위해 고정자 치에 기존과는 다른 2개의 노치를 적용하였다. 2개의 노치는 서로다른 비대칭 위치에 서로 다른 각도의 사선으로 되어진 Sloping 노치를 사용하였다. 하지만 이 경우 사선으로 각도를 주어 제작하게 되면 제작이 쉽지 않아 노치를 사용하는 이점이 줄어든다.
- BLDC 전동기를 분류할 때, 크게 회전자 표면에 영구자석이 붙어있는 SPM 유형과 회전자 내부에 영구자석이 삽입되어진 IPM 유형으로 분류가 가능하다. 본 논문에 사용된 전동기는 SPM유형의 BLDC 전동기로써 이론적인 해석 방법을 통한 코깅 토크는 일반 토크와 같이 회전자의 회전량에 다른 에너지의 변화량 이므로 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
- 본 논문에 사용된 전동기는 환풍시스템에 적용하기 위한 120[W]급 단상 BLDC 전동기로 설계 사양 및 제원은 표 1과 같으며 전동기 형상은 그림 1과 같다. 단상 브러시리스 직류전동기는 극수와 슬롯수고 1:1이 되어야 하고 권선공간의 확보와 효율성을 고려하여 8극 8슬롯의 구조를 채택하였다.
- 따라서 기존모델의 2D 유한요소해석을 3D로 변환하여 재해석하였으며 그림 3과 같은 해석 결과와 그림 5의 실험결과를 비교하여 3D 유한요소 해석의 타당성을 검증 후 Sloping 노치 모델의 해석을 진행하였다. 실험진행을 위한 코깅토크 측정 장비 및 실험 구성은 그림 4와 같으며, 사용한 코깅토크메타는 0.001[%] RPM의 오차율을 가지는 일본 SUGAWARA사 ATH1-50N01 장비를 사용하였다. 그림 2(a)는 비대칭 노치를 적용한 기존 모델 형상을 보여주며 설계사양을 만족 하면서 코깅토크가 최소화될 수 있는 노치의 위치 및 크기를 선정하였다.
- 제작상 용이성을 고려한 Step-Sloping 노치의 경우 그림 8과 같이 3 Step-Sloping 노치 2개 모델과 5Step-Sloping 노치 1개 모델 총 3가지 모델로 해석을 진행하였다. 3Step-Sloping 노치의 경우 높이는 3등분 하였으며 모델 1의 ①과 ③의 노치의 위치는 모델 3의 ①과 ⑤와 같으며, 모델 2의 ①과 ③의 노치의 위치는 모델 3의 ②와 ④의 위치와 같다.
데이터처리
- 본 논문에서는 코깅토크 저감을 위해 2개의 노치를 이용한 Sloping 노치의 코깅토크 저감 방법을 제안하였다. 3D 유한요소 해석을 통하여 코깅토크를 확인하였으며, 비대칭 노치를 적용한 해석의 정확성을 검증하기 위해 기존모델의 실험 결과와 비교하였다. 기존 모델과 Sloping 노치 모델의 코깅토크를 비교하고, 제작의 용이성을 위해 Step-Sloping 노치 모델로 변경하였다.
이론/모형
- 3D 유한요소 해석을 통하여 코깅토크를 확인하였으며, 비대칭 노치를 적용한 해석의 정확성을 검증하기 위해 기존모델의 실험 결과와 비교하였다. 기존 모델과 Sloping 노치 모델의 코깅토크를 비교하고, 제작의 용이성을 위해 Step-Sloping 노치 모델로 변경하였다. Sloping 노치의 적용 방법은 노치(a)의 기울기(Notch(a) SlopingDeg), 노치(b)의 기울기(Notch(b) Sloping Deg)의 값을 변화시켰다.
- Step-Sloping 노치의 경우 코깅토크 저감을 위해 노치를 적용하는 이유는 다른 방법에 비해 제작에 있어 별도의 비용 없이 비교적 적용하기 쉽기 때문이나 Sloping 노치를 적용하게 되면 적층 높이에 따른 노치위치의 변화 때문에 제작상 어려움이 생겨 노치를 적용하는 이점이 줄어든다. 따라서 이를 보완하기 위해 그림 2(c)와 같이 Step-Sloping 노치를 적용하였다.
성능/효과
- (b) Sloping Deg가 12[°]일 때 약 23.9[mNm]이었으며 기존모델은 약 40.8[mNm]로 Sloping 노치 적용모델이 약 41.42[%] 코깅토크가 저감되었다.
- 85[%]로 제작을 고려한다면 수용할 수 있는 수치로 판단할 수 있다. 또한 기존모델과 비교하여 보아도 코깅토크 차이가 약 39.16[%]로 코깅토크를 효율적으로 저감할 수 있음을 알 수 있다.
- 42[%] 코깅토크가 저감되었다. 또한 이러한 Sloping 노치를 StepSloping 노치로 변경할 경우 Step-Sloping 노치 모델의 코깅토크가 약 24.82[mNm]으로 Sloping 노치 모델의 코깅토크와 3.85[%] 차이로 제작을 고려하여 Step-Sloping 노치 모델을 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 본 논문에서는 3D 유한요소해석 방법을 이용한 특성해석을 통해 코깅토크 결과를 도출하였으므로 3D 유한요소해석 방법의 신뢰성 검증이 필수적이므로 기존모델의 해석결과와 실험결과를 비교하여 3D 유한요소해석 방법의 신뢰성을 입증하였고, 따라서 이후 Sloping 노치 및 Step-Sloping 노치 적용모델의 해석결과를 신뢰할 수 있다.
- 8[mNm]이다. 실험을 통한 코깅토크 측정값은 약 39.8[mNm]이며 오차율은 약 0.52[%]로 파형과 크기 비교를 통해 3D 특성해석의 정확성을 입증할 수 있다.
- 형상 변화에 따라 특성이 달라질 수 있으므로 그림 7과 같이 Step-Sloping 노치 모델 3에 대하여 특성 해석을 수행하였으며 기존 모델과 Sloping모델 및 Step-Sloping 모델 모두 표 2와 같이 역기전력 및 부하 토크 등의 설계사양을 모두 만족함을 확인 할 수 있다.
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