[논문]Helical 형상의 슬롯리스 BLDC 전동기의 출력 최대화 설계

차현록; 백승훈; 윤철호; 정태욱; 김광헌

Helical 형상의 슬롯리스 BLDC 전동기의 출력 최대화 설계
The Maximum Output Designs of Slotless BLDC Motor Using Helical Shape 원문보기

차현록 (한국생산기술연구원) , 백승훈 (전남대학교 전기공학과 전력전자실험실) , 윤철호 (전남대학교 전기공학과 전력전자실험실) , 정태욱 (전남대학교 전기공학과 전력전자실험실) , 김광헌 (전남대학교 전기공학과 전력전자실험실)

본 논문은 Slotless BLDC 모터를 고출력화 하기 위해서 나선형(Helical)방식을 적용하여 모터의 고출력화를 이루는 방식에 대한 연구이다. 기존의 SlotlessBLDC모터는 코깅이 없고, Slot이 없으므로 소형화에 유리한 장점을 지녔다. 반면에 공극의 자속 밀도가 낮아 출력을 높이는데 한계가 있었다. 따라서 본 논문에서는 기존의 SLBLDCM의 단점을 극복할 수 있는 Helical 방식을 제안하였다. Helical 방식을 적용할 때 기존의 인덕턴스 영향으로 인한 전류 확립에 한계가 있었으나 본 방식을 적용 시 높은 전류를 흘릴 수 있었으며 이로 인해 고출력화를 이룰 수 있었다. 아울러 Helical 방식을 취하므로 높은 전류로 인한 발열문제까지도 동시에 해결할 수 있는 장점이 있었다. 본 논문에서는 Helical 방식을 적용하여 기존대비 출력을 15%이상 향상시킬 수 있었으며, 온도 상승도 10%이상 억제할 수 있었다.

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문제 정의

그러나 BLDC모터의 코깅 토크 때문에 진동과 소음이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 그래서 슬롯이 없는 슬롯리스 BLDC모터에 대해 연구되었다. 슬롯과 teeth가 존재하지 않는 슬롯리스 BLDC(SLBLDC)모터는 몇 가지 장점을 가지고 있다.
본 논문은 출력 설계를 위해 소형이고 2극인 SLBLDC 모터의 설계를 제안하였다. 소형이고 고속인 모터에 있어서 열의 발생은 모터 동작 중 중요한 요소이다[3].

제안 방법

기존의 core내경이 0 15 인데 내경을 점점 줄여서 효율을 측정하여 보았다. 0 13.
나선형 구조로서 그림 7에서와 같이 자석부분과 코일 부분이 동일한 각도를 가지고 꼬아진 형태를 설계하였다. 그림 7과 같이 HeUcal 형상을 적용한 것은 나선형 구조를 사용하여 열 발생을 감소할 수 있다.
그러나 HeHcal 형상의 모터에서는 열의 발생을 나선형의로터에 의해 자연스럽게 송풍으로 감소할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 열의 발생에 의한 변화로 인해 토크와 효율의 변화를 연구하였다.
본 논문은 SLBLDC 모터에 잘린 자석 형상과 Helical 형상을 고줄력 설계에 적용하였다. 결과적으로 이 방법으로 인해 출력은 모터 운전 시 증가할 것이 예상된다.
자석의 극이 만나는 부분에서 기존의 자석 형상은 그림 2-(1)에서 보는 바와 같이 그 끝부분에서 air-gap 또는 권선으로 지나가는 양이 많은데 비해, 그림2-(2) 형상에서는 그 끝부분에서 자속의 나오는 부분이 더 길어져 air-gap 또는 권선으로 지나는 양이 더 적어지게 되어, 상대적으로 코어로 지나가는 자속의 양이 많아지게 된다, 코어에 흐르는 자속의 양이 증가하게 되면 토크의 증가를 가져오게 된다. 여기에서 해석의 편의를 위해 컷팅 부분까지의 각도를 Qc라하면 Qc의 변화에 따른 토크의 변화를 알아보았다.
위의 해석에 따르면 Qc가 증가할 때 효율은 감소함을 알 수 있었다. 여기에서는 효율을 고려하여 stator core 내경에 변화를 주어 해석하여 보았다.
그림에서 보듯이 내경을 줄임에 따라 효율이 증가됨을 알 수 있다. 위의 두 결과를 조합하여 최적의 설계 사양을 설정하기 위하여 각 조건에 따라 해석해 보았다. 그림은 위 두 설정에 따른 효율의 변화를 나타낸 그래프 이다.

이론/모형

본 논문에서는 권선 뿐만 아니라 자석에도 Hehcal 방식을 적용하였다. 나선형 구조로서 그림 7에서와 같이 자석부분과 코일 부분이 동일한 각도를 가지고 꼬아진 형태를 설계하였다.

성능/효과

열 발생의 감소로 인한 출력의 감소가 적어져서 기존 대비 5%의 출력 증가를 가져오게 되었고, 온도에서 또한 기존 대비 10% 이상 감소함을 알 수 있었다 .결과적으로 Helical 형상의 모터가 출력에서 더 큰 향상을 가져옴을 알 수 있다.
그림의 두 그래프를 비교하여 보면, 효율은 Qc가 0~15°일 때까지는 거의 일정하고 그 후 감소하는 것을 알 수 있었고, 토크는 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 위의 두 결과를 비교하여 효율이 거의 같고 토의 크기가 증가하는Qc와 Cc 를 선택한다.
첫째, 코깅 토크가 아주 작기 때문에 부드러운 회전이 가능하다. 둘째, 에어 갭 부분이 존채함에 따라 모터가 작동됨에 따라 발생하는 열이 iron 부분이 아닌 에어 갭 부분을 통해서 제거되기 때문에 권선부분이 효과적으로 식혀 절 수 있다. 셋째, 인덕턴스가 슬롯형과 비교해 작기 때문에, 슬롯리스 BLDC모터는 그 전에 존재하던 모터보다 Sensorless 드라이브에 더 적합하다[1].
둘째, 에어 갭 부분이 존채함에 따라 모터가 작동됨에 따라 발생하는 열이 iron 부분이 아닌 에어 갭 부분을 통해서 제거되기 때문에 권선부분이 효과적으로 식혀 절 수 있다. 셋째, 인덕턴스가 슬롯형과 비교해 작기 때문에, 슬롯리스 BLDC모터는 그 전에 존재하던 모터보다 Sensorless 드라이브에 더 적합하다[1]. 또한 SLBLDC 모터는 슬롯의 부재로 인해 소형화에 유리하고, 코깅토크가 거의 없어 고속화에 유리하다[2].
여기서 Helical 형상이 기존 SLBLDC 모터보다 열 발생에 의한 출력감소가 더 적음을 알 수 있다. 열 발생의 감소로 인한 출력의 감소가 적어져서 기존 대비 5%의 출력 증가를 가져오게 되었고, 온도에서 또한 기존 대비 10% 이상 감소함을 알 수 있었다 .결과적으로 Helical 형상의 모터가 출력에서 더 큰 향상을 가져옴을 알 수 있다.
제안된 형식의 로터와 같이 Rs만큼 자르게 되면 그림에서 나타난 것과 같이 더 많은 자속이 코어에 흐르게 됨을 알 수 있다. 자석의 극이 만나는 부분에서 기존의 자석 형상은 그림 2-(1)에서 보는 바와 같이 그 끝부분에서 air-gap 또는 권선으로 지나가는 양이 많은데 비해, 그림2-(2) 형상에서는 그 끝부분에서 자속의 나오는 부분이 더 길어져 air-gap 또는 권선으로 지나는 양이 더 적어지게 되어, 상대적으로 코어로 지나가는 자속의 양이 많아지게 된다, 코어에 흐르는 자속의 양이 증가하게 되면 토크의 증가를 가져오게 된다.
첫째, 코깅 토크가 아주 작기 때문에 부드러운 회전이 가능하다. 둘째, 에어 갭 부분이 존채함에 따라 모터가 작동됨에 따라 발생하는 열이 iron 부분이 아닌 에어 갭 부분을 통해서 제거되기 때문에 권선부분이 효과적으로 식혀 절 수 있다.

후속연구

본 논문에 제안된 설계는 소형이고 높은 속도가 요구되는 모터에 유용할 것이다. 또한 초전도 모터의 냉각에 적용될 수 있을 것으로 예상 된다.
결과적으로 이 방법으로 인해 출력은 모터 운전 시 증가할 것이 예상된다. 본 논문에 제안된 설계는 소형이고 높은 속도가 요구되는 모터에 유용할 것이다. 또한 초전도 모터의 냉각에 적용될 수 있을 것으로 예상 된다.

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