[논문]공조용 1마력급 2상 BLDC 팬모터의 설계 및 구현에 관한 연구

백수황

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.4.757

공조용 1마력급 2상 BLDC 팬모터의 설계 및 구현에 관한 연구
A Study on the Design and Implementation of 2-phase BLDC Fan Motor with 1-horsepower Class for Air Conditioning 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.4, 2018년, pp.757 - 764

초록
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본 논문은 공조시스템에 사용되는 1마력급 2상 BLDC 팬모터의 설계 및 구현에 관하여 기술한다. 본 연구에서 구현한 BLDC 모터는 수명 및 내구성이 우수한 무정류자 모터방식이며 2상 전원에 의해 구동된다. 공조시스템에 사용되는 모터의 가장 중요한 목표사양은 정격운전점에서 높은 효율을 갖는 것이다. 이를 위해 BLDC 모터의 고정자 형상과 회전자 자석의 설계를 수행하고 구동을 위한 제어회로를 설계하였다. BLDC 모터는 모터부와 제어부 그리고 전원부가 일체화된 구조를 갖는다. BLDC 모터의 특성계산을 위해 유한요소해석을 사용하였으며 시제품의 제작 및 성능시험을 실시하여 설계결과의 적합성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and implementation of a 1hp class two-phase type BLDC fan motor used in an air conditioning system. The BLDC motor, which is implemented in this study, is not a commutator motor type with excellent lifetime and durability and is driven by two phase power source. The most important target specification of a motor used in an air conditioning system is that it has a high efficiency at the rated operating point. For this purpose, we designed the stator shape of the BLDC motor, the design of the rotor magnet, and the control circuit for driving. The BLDC motor has a structure where the motor part, the control part, and the power part are integrated. The finite element analysis was used to calculate the characteristics of the BLDC motors, and the conformity of the design results was confirmed by fabricating and testing the prototype model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공조시스템에 사용되는 1마력급 2상 BLDC 팬모터를 대상으로 효율 향상효과를 얻고자 고정자에 보조치를 추가한 형상설계를 제안한다.

제안 방법

BLDC 모터를 설계할 때 중요한 설계요소로서 극수와 슬롯수를 선택하고 외경과 적층길이를 결정하였다. 이를 위해 보조치를 고려한 BLDC 모터의 고정자 형상과 구조가 간단한 Ring 타입의 페라이트 영구자석을 사용하는 회전자를 적용하였다.
BLDC 모터의 효율을 향상시키고자 고정자 형상에 보조치를 고려였으며 회전자는 구조가 간단한 Ring 타입의 페라이트 영구자석을 사용하였다. 모터의 구동을 위한 제어, 전원 및 센서회로를 설계하였다.
먼저 모터의 목표사양을 선정하고, 전기장하와 자기장하의 비를 결정하고, 공극에서의 자속밀도를 결정한다. 그리고 극당 유효자속을 계산하고 고정자권선의 턴 수를 계산한 후 고정자 권선에서의 전류밀도를 확인하여 설계를 완료한다. 설계결과는 유한요소해석을 통해 확인한다.
이를 위해 보조치를 고려한 BLDC 모터의 고정자 형상과 구조가 간단한 Ring 타입의 페라이트 영구자석을 사용하는 회전자를 적용하였다. 또한 BLDC 모터의 구동을 위한 제어 및 구동회로를 설계하였다. BLDC 모터의 특성계산을 위해 2D 유한요소해석을 사용하였으며 최종적으로 시제품의 제작 및 성능시험을 실시하였고 해석결과와 실험결과의 비교를 통해 제안한 형상설계의 적합성을 확인하였다.
그림 4에 제안하는 BLDC 모터의 설계순서를 나타내었다. 먼저 모터의 목표사양을 선정하고, 전기장하와 자기장하의 비를 결정하고, 공극에서의 자속밀도를 결정한다. 그리고 극당 유효자속을 계산하고 고정자권선의 턴 수를 계산한 후 고정자 권선에서의 전류밀도를 확인하여 설계를 완료한다.
BLDC 모터의 효율을 향상시키고자 고정자 형상에 보조치를 고려였으며 회전자는 구조가 간단한 Ring 타입의 페라이트 영구자석을 사용하였다. 모터의 구동을 위한 제어, 전원 및 센서회로를 설계하였다.
본 연구는 공조용 1마력급 2상 BLDC 팬모터의 설계를 수행하였고 제어기 일체형 모터 어셈블리를 구현하여 실험적으로 검증하였다.
그리고 극당 유효자속을 계산하고 고정자권선의 턴 수를 계산한 후 고정자 권선에서의 전류밀도를 확인하여 설계를 완료한다. 설계결과는 유한요소해석을 통해 확인한다.
영구자석과 샤프트 사이의 공간은 비자성체인 고무재질로 구성되어있다. 영구자석은 극이 방성 형태로 착자되었고 페라이트 재질의 영구자석을 적용하였다. 권선 A상과 B상의 결선은 회전자의 원주 방향으로 (A → B → A' → B' → A → B → A' → B')되어있다.
BLDC 모터를 설계할 때 중요한 설계요소로서 극수와 슬롯수를 선택하고 외경과 적층길이를 결정하였다. 이를 위해 보조치를 고려한 BLDC 모터의 고정자 형상과 구조가 간단한 Ring 타입의 페라이트 영구자석을 사용하는 회전자를 적용하였다. 또한 BLDC 모터의 구동을 위한 제어 및 구동회로를 설계하였다.
제작된 시제품을 이용하여 BLDC 모터 N-T-I 특성을 확인하기 위해 모터다이나모미터를 활용한 성능 시험을 실시하였다. 그림 16에 BLDC 모터 성능시험을 위한 모터 장착사진을 나타냈다.

대상 데이터

그림 3은 공조용 팬의 구조를 나타낸다. 덕트, 그릴, 임펠러 및 팬모터 등의 부품으로 구성되어있다.

데이터처리

또한 BLDC 모터의 구동을 위한 제어 및 구동회로를 설계하였다. BLDC 모터의 특성계산을 위해 2D 유한요소해석을 사용하였으며 최종적으로 시제품의 제작 및 성능시험을 실시하였고 해석결과와 실험결과의 비교를 통해 제안한 형상설계의 적합성을 확인하였다.
BLDC 모터의 특성은 2D 유한요소해석으로 계산하였으며 시제품의 제작 및 모터 N-T-I 성능시험을 실시하였고 해석과 실험결과의 비교를 통해 제안한 형상설계의 적합성을 확인하였다.
그림 17에 모터다이나모미터 성능실험(N-T-I) 결과를 나타냈으며 표 2에 해석결과와 시험결과를 비교 하였다. 실험결과 평균토크와 정격효율 특성이 해석결과와 차이가 있는 이유는 유한요소 해석조건에서 기계손 및 풍손이 고려되지 않았기 때문으로 사료된다.

이론/모형

설계된 BLDC 모터의 특성을 확인하기 위하여 유한요소법을 이용하여 2D 해석을 수행하였다. 그림 11에 BLDC 모터의 속도특성을 나타내었다.

성능/효과

그림 14는 정격운전 조건(750W/1600rpm)에서의 자속선 및 자속밀도의 분포도를 나타내었다. 자속선도가 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있으며 자속밀도 분포를 통해 고정자 철심에서 자기적 포화 발생여부를 확인할 수 있다. 고정자치의 두께보다 보조치의 두께가 얇은 이유로 자기적 포화가 높게 나타나지만 1.
그림 11에 BLDC 모터의 속도특성을 나타내었다. 전원 인가 후 0.3초 시점에서 설계목표사양인 정격회전속도 1600rpm에 수렴하는 것을 알 수 있다. 그림 12에는 토크특성을 나타냈다.

후속연구

추후 추가적인 효율개선 및 토크리플과 코깅토크 특성의 저감을 위하여 권선의 선경과 턴 수 및 고정자 철심형상의 최적설계에 관한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터 회전자에 무엇을 사용하는가?	회전자에 영구자석을 사용하는 BLDC 모터는 유도 모터와 달리 역률과 효율특성이 우수하지만 영구자석의 재료로 사용되는 희토류자석 재질의 가격이 국제 정세의 변화에 따라 심하게 변동하는 이유로 모터 제조원가 또한 불안정하게 변동된다. 이는 모터업체의 불안정한 수익성으로 연결되고 있다.
	DC(BLDC) 모터의 특성은?	가전기기 및 산업기기 분야에서 고출력 및 고효율 특성을 갖는 Brushless 타입의 DC(BLDC) 모터가 각광을 받고 있다. BLDC 모터는 특히 전기적인 제어회 로를 이용하여 속도 및 토크의 제어가 용이하고 소형화, 저소음 및 유지보수성 우수한 특징을 갖기 때문에 공조시스템 및 자동차분야에도 확대 적용되고 있다 [6-7].
	정부주도하의 에너지효율관리 3대 프로그램에는 무엇들이 있는가?	먼저 국내에서는 다음과 같이 정부주도의 에너지효율관리 3대 프로그램이 운영되고 있다. 첫째, 에너지소비량이 많고 시중이 많이 보급된 제품을 1에서 5등급으로 구분하여 에너지소비효율 등급라벨을 부착하고 최기준에 미달한 제품에 대해 생산 및 판매를 금지하는 에너지소비효율 등급표시제도 둘째, 산업분야와 건물에 사용되는 고효율설비의 보급을 위해 일정기준 이상의 효율특성을 갖는 제품을 인증하는 고효율 기자재 인증제도 셋째, 제품을 사용하지 않는 대기시간 중에 절 전모드 상태와 대기전력의 최소화를 유도하고 대기전력 저감 기준 달성제품에 대해 에너지절약마크를 표시하는 대기전력 저감 프로그램을 말한다[1-3].

참고문헌 (10)

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J. Yang and S. Kwak, "Design of brushless DC motor speed control system for handpieces," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11. no. 6, Jun. 2016, pp. 597-604.

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M. Rahman and, H. Rahman, "Performance of newly developed integrated space conditioning and domestic water heating device," J. of Energy & Environment, vol. 3, no. 1, 2011, pp. 23-27.

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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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