[논문]BLDC 전동기의 코깅토크 저감을 위한 고정자 설계

유대일; 임승빈; 김기찬; 원성홍; 이주

BLDC 전동기의 코깅토크 저감을 위한 고정자 설계
The Stator Design of BLDC for reducing the Cogging Torque 원문보기

유대일 (한양대학교 전기공학과) , 임승빈 (한양대학교 전기공학과) , 김기찬 (한양대학교 전기공학과) , 원성홍 (한양대학교 전기공학과) , 이주 (한양대학교 전기공학과)

Cogging torque is produced in a permanent magnet machine by the magnetic attraction between the rotor-mounted permanent magnets and the stator. It is an undesired effect that contributes to the machines' output ripple, vibration, and noise. This paper presents the stator design for reducing cogging torque in the BLDC motor by using the DOE(Design of Experiments). The cogging torque is computed by using a two-dimensional finite element analysis.

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문제 정의

본 눈문에서는 이러한 방안들 중 보조 슬롯의 사용을 통한 코깅토크 저감을 다루고자 한다. 이는 대량의 BLDC 제작시 고정자의 재료인 규소강판의 부스러기(scrap) 처리를 통한 원가 절감에도 효과적이리라 예상되기 때문이다.
이는 대량의 BLDC 제작시 고정자의 재료인 규소강판의 부스러기(scrap) 처리를 통한 원가 절감에도 효과적이리라 예상되기 때문이다. 이러한 이유로 BLDC의 보조 슬롯과 관련 형상 변경을 인자로 둔 실험계획법(DOE)과 2차원 유한요소법(Finite Element Method)을 통해코깅토크에 크기에 관여하는 인자를 결정하고 이를 결정하여 코깅토크를 저감하고자 한다.

제안 방법

본 논문에서는 3상 4극 6슬롯을 가진 BLDC의 코깅토크를 저감하기 위해 보조 슬롯을 채용하였으며, 이러한 보조 슬롯과 관련된 5개의 설계 인자를 가지고 실험계획법을 시행하였다. 이를 통해 보조슬롯에 관한 설계 인자들의 코깅토크에 대한 영향도와 성향을 파악할 수 있었으며, 최적화 루틴을 통해 개선 모델을 찾을 수 있었다.
모델 수는 2x2x2x2x3=48 가지이다. 이 중에서 실험계획법을 시행하여 36가지 모델을 추출하였고, 이 모델들에 2차원 유한요소법을 적용한 해석을 통하여 각각의 코깅토크를 찾을 수 있었다. 이러한 쿠깅토크를 분석하여 앞서 예상했던 5개의 인자와의 연관성 및 추이를 분석하여 로깅토크에 크게 관여하는 인자를 찾고 이틀 토대로 코깅토크 저감을 위한 개선 모델을 제시한다.
이 중에서 실험계획법을 시행하여 36가지 모델을 추출하였고, 이 모델들에 2차원 유한요소법을 적용한 해석을 통하여 각각의 코깅토크를 찾을 수 있었다. 이러한 쿠깅토크를 분석하여 앞서 예상했던 5개의 인자와의 연관성 및 추이를 분석하여 로깅토크에 크게 관여하는 인자를 찾고 이틀 토대로 코깅토크 저감을 위한 개선 모델을 제시한다.

대상 데이터

표 2는 이러한 5개의 인자와 그 수준들을 설명한다. 보조 슬롯의 크기와 형상에 관한 3개의 설계 인자와 보조 슬롯의 적용방식에 따른 2개의 설계 인자를 선택하였다. 보조 슬롯의 폭과 깊이에 해당하는 설계 인자 b와 c에 대해서는 다른 모델에도 적용을 용이하게 하기 위해 고정자 치의 슈 부분의 폭과 깊이 치수에 대한 비로써 주어진다.
본 논문에서 해석에 사용한 모델은 내전형 BLDC로써 3상 4극 6슬롯을 가지며, 영구자석은 소결 페라이트를 사용하였다. 자극의 끝단으로 갈수록 자석의 두께가 줄어드는 형상으로 공극 자속밀도의 급격한 변화를 저감시킴으로써 코깅토크를 줄이고 있다.

성능/효과

0152 [Nm]이다’ 여기서 코깅토크의 피크-피크값이 41% 감소함을 알 수 있다. 그리고 보조 슬롯의 영향으로 기존 모델의 슬롯수 6보다 개선 모델의 슬롯이 18로 3배가 커지므로 코깅토크의 주파수 역시 3배 증가함을 확인할 수 있다.
안자들의 값들을 아래 표 3에 나타내었다. 이로부터 나온 개선 모델의 유한요소해석을 통해서 코깅토크 피크-피크값인 001523 [Nm]을 얻고, 그림 5의 실험계획법을 통해 표시되고 있는 값 0.0152 [Nm]와 비교하면 매우 근사한 값으로 만족하고 있음을 확인할 수 있었다.
설계 인자를 가지고 실험계획법을 시행하였다. 이를 통해 보조슬롯에 관한 설계 인자들의 코깅토크에 대한 영향도와 성향을 파악할 수 있었으며, 최적화 루틴을 통해 개선 모델을 찾을 수 있었다. 향후에는 본 논문에서 제시한 방법을 포함하여 보다 많은 인자들과 수준을 적용함으로써 코깅토크의 저감을 효과적으로 유도할 수 있을 것이다.
그 성향을 나타내고 있다. 코깅토크에 영향을 미치는 효과가 큰 인자들을 순서대로 나열해 보면 보조 슬롯의 개수, 보조 슬롯의 폭, 치에 적용 방식, 보조 슬롯의 형상, 보조 슬롯의 깊이 순으로 나타났다. 보조 슬롯의 경우에는 비례 혹은 반비례 경향이 아닌 V 타입의 형태로 인자의 수준을 2개로 선정시 가장 크게 코깅토크가 줄어듦을 알 수 있다.

후속연구

이를 통해 보조슬롯에 관한 설계 인자들의 코깅토크에 대한 영향도와 성향을 파악할 수 있었으며, 최적화 루틴을 통해 개선 모델을 찾을 수 있었다. 향후에는 본 논문에서 제시한 방법을 포함하여 보다 많은 인자들과 수준을 적용함으로써 코깅토크의 저감을 효과적으로 유도할 수 있을 것이다.

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