[논문]3차원 유한요소법을 이용한 영구자석형(PM) Claw pole 스텝 모터의 특성 해석

임승빈; 김태형; 정대성; 이주; 권호; 손영규; 김윤현

문제 정의

본 논문에서는 3차원 모델링 프로그램과 3차원 유한 요소법을 이용하여 실제 PM형 Claw pole 스텝모터에 대한 해석을 수행하였고 그 결과로서 역기전력의 해석치와 실험치의 비교를 통해 해석 결과에 대한 신뢰성을 높였다. 또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 중요 변수인 영구자석에 대한 변화로 3가지 형태를 고려하였다.
본 논문에서는 3차원 유한 요소법을 이용하여 PM형 Claw pole 스텝모터의 실제 모델을 해석하여 실험치와 비교해 보았다. 또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 핵심 변수로 영구자석과 pole 형상 변화에 따른 디텐트 토크와 역기전력 특성을 자세히 살펴보았다.

제안 방법

.본 논문에서 고려한 영구자석 변화의 첫 번째 방법으로 한 극이 차지하는 영구자석의 면적과 최대 자속밀도는 일정하게 유지하며 착자 형태를 Parallel, Radial, Sin순 으로 변화시켰다. 그림 2과3는 착자 변화에 따른 디텐트 토크와 역기전력의 변화를 보여주고 있다.
그림 1에서 살펴보면 적용 모델의 영구자석은 상(Stack)마다 분리되어 있지만 각 상(Stack)고정자의 단면이 결합되어 있어 서로에 대한 누설 자속의 영향이 존재한다. 그로 인해 자기적으로 독립적이지 못하기 때문에 2개의 상(Stack)을 동시에 고려하여 해석을 수행하였다. 해석 모델의 요소 개수는 대략 30만개이고 절점수는 7만개 정도이다.
본 논문에서는 3차원 모델링 프로그램과 3차원 유한 요소법을 이용하여 실제 PM형 Claw pole 스텝모터에 대한 해석을 수행하였고 그 결과로서 역기전력의 해석치와 실험치의 비교를 통해 해석 결과에 대한 신뢰성을 높였다. 또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 중요 변수인 영구자석에 대한 변화로 3가지 형태를 고려하였다. 첫 번째로 최대 자속밀도와 면적을 고정시킨 후 착자 형태를 바꾸어 보았고 두 번째로 영구자석에 skew 를 주었으며 마지막으로 유효자 속을 발생시키는 영구자석의 면적에 변화를 주어 그에 따른 디텐트 토크와 역기전력의 변화를 살펴보았다.
본 논문에서는 3차원 유한 요소법을 이용하여 PM형 Claw pole 스텝모터의 실제 모델을 해석하여 실험치와 비교해 보았다. 또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 핵심 변수로 영구자석과 pole 형상 변화에 따른 디텐트 토크와 역기전력 특성을 자세히 살펴보았다. 본 연구는 차후 PM형 Claw pole 스텝모터의 디텐트 토크 저감과 출력 향상을 위한 설계 시 매우 유용할 것으로 사료된다.
영구자석에 대한 또 다른 변화로 영구자석에 skew를 주어 claw pole 모터 외 특성을 살펴보았다. skew각은 해석 모 펠의 한 피치에 해당하는 45도를 주었으며 코깅 토크가 가장 큰 Radial착자 시에만 적용하였다
영구자석에 대한 변화의 마지막으로 착자 형태를 skew 시와 같은 Radial로 고정시킨 후 유효자 속을 발생시키는 영구자석의 면적을 증감시켜 보았다. 극당 풀(full) 착 자시를 100%로 보고 각각의 면적을 25%, 50%, 75% 순으로 *화시켜 보았다 [2].
또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 중요 변수인 영구자석에 대한 변화로 3가지 형태를 고려하였다. 첫 번째로 최대 자속밀도와 면적을 고정시킨 후 착자 형태를 바꾸어 보았고 두 번째로 영구자석에 skew 를 주었으며 마지막으로 유효자 속을 발생시키는 영구자석의 면적에 변화를 주어 그에 따른 디텐트 토크와 역기전력의 변화를 살펴보았다. 추가적인 변화 요소로 pole 형상을 고려하였으며 그에 따른 특성 변화도 살펴보았다.
첫 번째로 최대 자속밀도와 면적을 고정시킨 후 착자 형태를 바꾸어 보았고 두 번째로 영구자석에 skew 를 주었으며 마지막으로 유효자 속을 발생시키는 영구자석의 면적에 변화를 주어 그에 따른 디텐트 토크와 역기전력의 변화를 살펴보았다. 추가적인 변화 요소로 pole 형상을 고려하였으며 그에 따른 특성 변화도 살펴보았다.

대상 데이터

그로 인해 자기적으로 독립적이지 못하기 때문에 2개의 상(Stack)을 동시에 고려하여 해석을 수행하였다. 해석 모델의 요소 개수는 대략 30만개이고 절점수는 7만개 정도이다. 3차원 해석서 해석결과의 정확도가 요소 개수에 의해서도 적지 않은 영향을 받으므로 적정한 요소개수 선정도 중요하다.

데이터처리

3차원 해석서 해석결과의 정확도가 요소 개수에 의해서도 적지 않은 영향을 받으므로 적정한 요소개수 선정도 중요하다. 3차원 해석 프로그램으로 로는 상용툴인 전자계해석 전용 프로 그램인 JMAG-Studio 8.0을 사용하였다.

성능/효과

48[gfcm] 보다 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서, PM형 Claw pole 스텝 모터에서의 디텐트 토크는 자속의 절대 크기보다는 영구자석과 pole의 위치에 더 많은 영향을 받는 것을 확인할 수 있으며 디텐트 토크를 줄이기 위한 적절한 유효 자속 면적의 계산이 요구된다.
그림7과 @은 이에 따른 디텐트 토크와 역기전력를 보여주고 있다. 역기전력은 전체 자속량의 증감과 같은 추이로 변하지만 디텐드 토크의 크기는 표 2에서 보는 거와 같이 유효 자속 발생 면적이 75%인 경우에 최대치가 0.15[gfcm]로 자속면적이 25%인 경우의 0.27[gfcm] 50%인 0.48[gfcm] 보다 감소한 것을 확인할 수 있다. 따라서, PM형 Claw pole 스텝 모터에서의 디텐트 토크는 자속의 절대 크기보다는 영구자석과 pole의 위치에 더 많은 영향을 받는 것을 확인할 수 있으며 디텐트 토크를 줄이기 위한 적절한 유효 자속 면적의 계산이 요구된다.

후속연구

또한, PM형 Claw pole 스텝모터의 해석 및 설계 시 핵심 변수로 영구자석과 pole 형상 변화에 따른 디텐트 토크와 역기전력 특성을 자세히 살펴보았다. 본 연구는 차후 PM형 Claw pole 스텝모터의 디텐트 토크 저감과 출력 향상을 위한 설계 시 매우 유용할 것으로 사료된다.

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