[논문]연자성 철심재질을 이용한 진공 청소기용 BLDC 전동기 설계

이규석; 차현록; 윤철호; 정태욱

[국내논문] 연자성 철심재질을 이용한 진공 청소기용 BLDC 전동기 설계
BLDC Motor Design for Vacuum Cleaner Using Soft Magnetic Composite 원문보기

이규석 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀) , 차현록 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀) , 윤철호 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀) , 정태욱 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀)

본 논문은 청소기용 BLDC 전동기 모터에 기존의 전기강관이 아닌 SMC(Soft Magnetic Composite)를 적용하여 진공청소기용 BLDC 전동기 모터 설계를 하는데 있다. 본 논문에서 사용한 SMC는 순철 분말에 전기적 절연 코팅을 실시한 새로운 재질로 현재 많은 연구가 진행 되고 있는 분야이다. 그러나 재질의 특성에 적합한 모터 설계에 관한 연구는 미진 하였다. 따라서 본 연구는 진공청소기용으로 많이 사용되는 BLDC 모터에 SMC를 적용 하였을 때 BLDC 전동기의 특성을 알아 보고자 하였다. 본 연구에서 SMC재질을 사용 할 때는 어느 조건에서 사용함이 유리한지 알 수 있었다. 또한 고속 청소기에 적합한 설계를 실시한 결과 SMC 재질의 낮은 투자율로 말미암아 인덕턴스가 감소하고, 전류가 높아져, 출력 증대 되는 것으로 나타 났다. 향 후 본 연구는 SMC를 이용한 BLDC 모터 설계 시 설계 기준으로 이용 될 수 있을 것으로 사료된다.

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문제 정의

본 논문에서는 BLDC모터 젭작시 공정 및 비용 절감을 위해 진공 청소기용흐로 많이 사용되고 있는 BLDC 모터의 코어에 귵소 강판이 아닌 SMC 분말 (Somaloy500ke 05%)을 적용시켜 BLDC 모터 설계 해석 하였다. 기존 규소 강판은 형상 몇 설계예 대한 제한이 발생되고, 적층을 하기 위한 프레스 및 절단 공정이 수반되며, 코어 형상 제조시 재료의 손실이 수반되어 진다.
본 논문에서는 기존의 BLDC 모터에 사용중인 규소 강판 태신에 순철 분말에 전기적 절연 코팅이 되어 있는 SMC₅₀0Ke 분말을 적용하여 BLDC모터의 출력에 영향을 미치는 토크의 변화 및 두 시료의 각 주파수별 철 손값의 변화를 알아 호았다. 우선 BLDC 모터의 스테이터 재료로 사용되는 S跡 과 SMC 분말을 비교 했을시 第0Hz 이하의 주파수에서는 S60의 철 손값이 적었지만, 400Hz 이상의 주파수에서는 SMC분말이 낮은 철손값을 가짐을 알 수 있었다.

제안 방법

BLDC 천동기릍 FEM으로 햬석하였다. SMtw의 재질에 따룐 각 ipm 별 또오尹를 해석 하였다. 토오크는 맥스웰 응력법으珏 계산욜 할 수 있다, 벡터 P 는 식 (1) 맥스웰 응력 텐서(Maxwell Stress Tensor)예 의해 구하여 진다.
어 손실을 줄이기 위햬 철심 절연체르여용하여 적증햬서 손실을 줄이게 되는데 이 적층과정을 섕략하편서 첥손의 손실을 줄이는 방법으로 SMC₅₀0Ke분말을 압분시켜 귭소강판 대신 적용해 보았다. 두 시료의 자기적 특성은 MPG 100D 장비를 사용하여 철손멏 투자율을 즉정 하였고 50, 60, 100~]500hz에, 전계 강도는 IQOOmT를기준으로 측정하였다. 시료의 비교을 위해서 직경 200의 S60과 동 일한직경의 SMC₅₀0Ke 분발을 796Mpa의 압력으토 압분 후 시료를 만든 후 시료의 특성을 쯕정 하였다.
이는 높은 주파수 대역에서눈 S60보다는 SMC 분말이 장점을 가지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 BLIX: 모터처럼 높은 RPM 회전하면서 고주파로 인해 철손을 발섕시키는 기기예 S60대신 SMC를 적용시켜 FEM 해석을 해 보았다. 그 결과 모터의 회전수가 37500RPM을 넘어가는 경우부터 SMC률 적용한 BLDC 모터의 토오M가 S60에 비해 크게 나옴을 알 수 있다.
따라서 위의 데이터를 토대로 BLDC 모터의 스테이터에 S60과 SMC₅₀0Ke 를 적용시켜 시뮬레이션해보고 데이터를 비교해 보았다.
모터 설계시 재질의 특성은 B-H 곡선으로 나타나는데 각 재질에 따른 B-H의 특성이 상이하므로 각 재질에 맞는 특성 곡선을 FEM 해석에 대입하여 해석을 실시하였다. FEM 방식은 전동기의 특성해석, 권선의 인덕턴스, 자속분포 및 특정 위치에 대한 정도(糖度) 높은 자속 밀도 계산을 할 수 있어, 자석의 두께나 재질선정에 도움을 줄수 있다.
두 시료의 자기적 특성은 MPG 100D 장비를 사용하여 철손멏 투자율을 즉정 하였고 50, 60, 100~]500hz에, 전계 강도는 IQOOmT를기준으로 측정하였다. 시료의 비교을 위해서 직경 200의 S60과 동 일한직경의 SMC₅₀0Ke 분발을 796Mpa의 압력으토 압분 후 시료를 만든 후 시료의 특성을 쯕정 하였다. 그리고 SMC압분체의 강도룔 향상 시키기 위해 &XXC열처리 조건을 거친 시료를 이용하였다.
하지만 상호유도작용을 이용한 발전기, 모터 둥에서는 철심에 맴돌이전류가 생겨 자손이 발생하게 된다. 어 손실을 줄이기 위햬 철심 절연체르여용하여 적증햬서 손실을 줄이게 되는데 이 적층과정을 섕략하편서 첥손의 손실을 줄이는 방법으로 SMC₅₀0Ke분말을 압분시켜 귭소강판 대신 적용해 보았다. 두 시료의 자기적 특성은 MPG 100D 장비를 사용하여 철손멏 투자율을 즉정 하였고 50, 60, 100~]500hz에, 전계 강도는 IQOOmT를기준으로 측정하였다.
위 설계 항목에 대하여 설계 되어진 BLDC 모터에 스테이터의 재질만 현재 규소 강판으로 사용중인 S60 대신 SMC분말을 대입하여 스테이터의 재질을 변경후 FEM 해석을 실시하였다.
이와 같은 장점 때문에 본 논문에서는 스테이터 코어의 채질인 S60과 SMC 500Ke 재짍 특성을 비교해보고 BLDC 모터의 기존 규소강판 코어 대신에 SMC 분말을 압분 적용시켜 FEM 해석을 실시하여 토오크를 비교 보석 하였다.

대상 데이터

시료의 비교을 위해서 직경 200의 S60과 동 일한직경의 SMC₅₀0Ke 분발을 796Mpa의 압력으토 압분 후 시료를 만든 후 시료의 특성을 쯕정 하였다. 그리고 SMC압분체의 강도룔 향상 시키기 위해 &XXC열처리 조건을 거친 시료를 이용하였다. 또한 SMC 분말의 경우 윤홭졔 Ke가 0.
그리고 SMC압분체의 강도룔 향상 시키기 위해 &XXC열처리 조건을 거친 시료를 이용하였다. 또한 SMC 분말의 경우 윤홭졔 Ke가 0.5% 포함된 SMC₅₀0Ke 05%분말을 사용하였다. .

성능/효과

따라서 BLIX: 모터처럼 높은 RPM 회전하면서 고주파로 인해 철손을 발섕시키는 기기예 S60대신 SMC를 적용시켜 FEM 해석을 해 보았다. 그 결과 모터의 회전수가 37500RPM을 넘어가는 경우부터 SMC률 적용한 BLDC 모터의 토오M가 S60에 비해 크게 나옴을 알 수 있다. 이뉸 죡 BLDC 모터처럼 고속으로 회전하는 모터에서는 SMC 분말을 사용함으로써 모터의 출력을 높일 수 있음을 알 수 있다.
대체로 30000~3500&pm까지는 S60의 걔칠을 사용하였을 때가 토크 값이 좋게 나왔고, 40000 ~45000rpm부터는 SMC분말을 사용했을때 토크값이 향상되었다. 이를 그래프로 보편 그림 5와 같다 이처럼 40000rpm 아상에서의 토오크값 향상은 출력값의 증가를 가져옴을 볼 수 있다.
변화를 알아 호았다. 우선 BLDC 모터의 스테이터 재료로 사용되는 S跡 과 SMC 분말을 비교 했을시 第0Hz 이하의 주파수에서는 S60의 철 손값이 적었지만, 400Hz 이상의 주파수에서는 SMC분말이 낮은 철손값을 가짐을 알 수 있었다. 이는 높은 주파수 대역에서눈 S60보다는 SMC 분말이 장점을 가지고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이뉸 죡 BLDC 모터처럼 고속으로 회전하는 모터에서는 SMC 분말을 사용함으로써 모터의 출력을 높일 수 있음을 알 수 있다. 이처럼 SMC 분말은 특정 조건에서 모터의 특성을 향상 시칼 뿐 아니라 쟤珏의 특성상 많은 장점을 가지고 있기 때문에 향후 많은 분야에 적용 되어 질 것으로 생각 되어 진다.

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