[논문]저속-고토크용 AFPM 전동기의 특성해석

서영택; 김철호; 김형길; 오철수

저속-고토크용 AFPM 전동기의 특성해석
Characteristics Analysis of AFPM motor for low speed and high torque 원문보기

서영택 (구미1대학) , 김철호 (경북대) , 김형길 (서영테크) , 오철수 (경북대)

This paper presents the analysis, design and performance of an axial-flux permanent magnet(AFPM) motor with a core-less stator. Axial-flux permanent magnet motors prove to be the best candidate for application in electric vehicles(EVs) as direct drive wheel motors, as in comparison with conventional motors. They allow designs with higher compactness lightness and efficiency. The paper discusses design and construction of a prototype motor, and reports experimental results achieved from laboratory tests.

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문제 정의

본 논문에서는 Prototype AFPM 전동기를 설계하고 특성 해석을 하기 위하여 자기 회로를 해석하고 전동기의 형태에 맞는 특성식을 유도 하였다. 전동기의 회전자 속도와 고정자의 전류를 제어하므로써 저속에서도 높은 효율 특성을 얻을 수 있었고, 전동기의 최적설계를 통하여 단위 무게당 토크비가 향상되었다.
본 논문에서는 고정자를 중심으로 양쪽에 두 개의 회전자로 구성된 저속-고토크용 AFPM 전동기를 시뮬레이션을 통해 특성을 파악하고 이를 바탕으로 Prototype 전동기를 제작하며. 속도가 낮은 영역에서의 전동기의 안정도를 향상시킬 수 있는 구동 드라이브를 설계한다.
속도가 낮은 영역에서의 전동기의 안정도를 향상시킬 수 있는 구동 드라이브를 설계한다. 특히 전동기의 토크 출력 특성해석을 중점적으로 다루고 해석결과를 바탕으로 EVs 활용가능성을 이론적 고찰과 실험을 통해 검증을 하고자 한다.

제안 방법

Axial Flux BLDC 전동기의 특성 해석을 위하여 본 연구에서 제안한 설계방법을 토대로 제작하였다. 전동기는 코어리스형이며, disc형의 고정자와 회전자로 구성되어 있다.
본 논문에서는 고정자를 중심으로 양쪽에 두 개의 회전자로 구성된 저속-고토크용 AFPM 전동기를 시뮬레이션을 통해 특성을 파악하고 이를 바탕으로 Prototype 전동기를 제작하며. 속도가 낮은 영역에서의 전동기의 안정도를 향상시킬 수 있는 구동 드라이브를 설계한다. 특히 전동기의 토크 출력 특성해석을 중점적으로 다루고 해석결과를 바탕으로 EVs 활용가능성을 이론적 고찰과 실험을 통해 검증을 하고자 한다.
그림 8은 한상의 PWM 전류 파형을 나타낸다. 실험을 통하여 전동기 유기기전력을 얻기 위해 회전속도를 0에서 lOOOrpm까지 변화시켜 가면서 그 파형과 실효값을 측정하였다. 그림9에서는 전동기의 입력 전압을 20V-26V로 인가 하면서 속도에 대한 출력 토크의 특성을 나타내고 있다.
전동기의 구동을 위해 인버터시스템을 구성하였고, 인버터 시스템은 3상 PWM 전압형 인버터로 제작하였다. 그림 8은 한상의 PWM 전류 파형을 나타낸다.

이론/모형

그림 6은 전동기의 축방향 자속 밀도로 최적의 극간 거리를 변화 시켜, 해석한 결과 극간거리 E/p가 2mm에서 누설이 적고 공극자속 밀도가 높은 극간 거리로 계산되었다. 본 논문에 사용한 2차원 유한요소법은 Ansoft사의 Maxwell 2D 프로그램이다.
전동기의 자로 는 영구자석의 재질, 영구자석의 배치, 극면적의 크기와 공극의 길이 등에 의하여 결정된다. 일반적으로 전동기 는 고정자 권선을 부착하고, 자속의 통로를 형성하는 고 정자 철심이 있는 것이 보편적이나, 본 논문에서는 고정 자 철심없이 코어리스형을 사용하였다.

성능/효과

산업의 발달과 더불어 전동기 사용에 대한 수요는 급속히 증대되고 있는 실정이며, 전동기의 사용 목적 및 응용분야 또한 다양화 추세를 보이고 있다.〔1〕자속축방향 영구자석 전동기 (Axial Flux Permanent Magnet Motor)는 일반 전동기에 비하여 고에너지 밀도를 갖고 있으며, 구조적으로 짧은 축방향 길이를 가지는 Slim형 구조를 가지고 있다. 또한 바퀴 일체형으로 장착이 가능하므로 차체 중량을 최소화가 가능하기 때문에, 최근에 AFPM 전동기를 전기자동차의 구동용 전동기로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
실험 결과 전동기의 정격 출력은 200[w]로 전동기 효율은 약 87% 정도를 얻을 수 있었다.
따라서 한 부분의 자속의 경로만을 해석함으로서 자기회로의 해석이 가능하다. 이 과정에서 공극에서도체와 쇄교하지 못하고 인접한 영구자석 사이에서 생성되는 누설 자속과, 회전자 disc 간의 누설이 생성됨을 확인하였다. 그림 6은 전동기의 축방향 자속 밀도로 최적의 극간 거리를 변화 시켜, 해석한 결과 극간거리 E/p가 2mm에서 누설이 적고 공극자속 밀도가 높은 극간 거리로 계산되었다.
전동기의 회전자 속도와 고정자의 전류를 제어하므로써 저속에서도 높은 효율 특성을 얻을 수 있었고, 전동기의 최적설계를 통하여 단위 무게당 토크비가 향상되었다. 전동기의 축방향 길이를 짤게 할 수 있으므로 바퀴 일체형으로 장착이 가능한 EVs용 전동기에 적용 가능하며, 토크나 효율 면에서 좋은 특성을 얻을 수 있었다. 앞으로 지속적인 연구가 요구된다.
본 논문에서는 Prototype AFPM 전동기를 설계하고 특성 해석을 하기 위하여 자기 회로를 해석하고 전동기의 형태에 맞는 특성식을 유도 하였다. 전동기의 회전자 속도와 고정자의 전류를 제어하므로써 저속에서도 높은 효율 특성을 얻을 수 있었고, 전동기의 최적설계를 통하여 단위 무게당 토크비가 향상되었다. 전동기의 축방향 길이를 짤게 할 수 있으므로 바퀴 일체형으로 장착이 가능한 EVs용 전동기에 적용 가능하며, 토크나 효율 면에서 좋은 특성을 얻을 수 있었다.

후속연구

전동기의 축방향 길이를 짤게 할 수 있으므로 바퀴 일체형으로 장착이 가능한 EVs용 전동기에 적용 가능하며, 토크나 효율 면에서 좋은 특성을 얻을 수 있었다. 앞으로 지속적인 연구가 요구된다.

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