[논문]소형 BLDC 전동기의 영구자석 형상 변화에 따른 코깅토크해석

정현구; 우성현; 정희준; 신판석

소형 BLDC 전동기의 영구자석 형상 변화에 따른 코깅토크해석
Characteristic Analysis of A small BLDC Motor considering various Magnetic shapes 원문보기

정현구 (홍익 대학교 전자전기 공학과) , 우성현 (홍익 대학교 전자전기 공학과) , 정희준 (홍익 대학교 전자전기 공학과) , 신판석 (홍익 대학교 전자전기 공학과)

본 논문에서는 기존 사용 중인 24V, 10W, 300rpm, 4극, 6슬롯의 사양을 갖는 소형 전동기를 해석하였다. 영구자석이 회전자에 부착되어있는 내전형 소형 BLDC 전동기를 모델로 하였다. 고정자 측외경은 그대로 유지하면서 전동기에서 발생되는 코깅토크를 감소시키기 위하여 영구자석의 형상을 변화 시켰다. 내부 회전 자석계자는 강한 자력으로 인하여 높은 토크를 발생시키는 희토류(rare earth magnet)자석을 사용하고, 자속분포와 코깅토크를 해석하였다. 코깅토크는 자석구조에 의해 변화하기 때문에 영구자석의 형상과 크기를 최적화 하여 코깅토크를 최소화 하였다.

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문제 정의

본 논문에는 24V, 10W, 300rpm BLDC 전동기를 선정하여 계자극 각도의 변화를 주면서 코깅토크의 변화되어진 값들을 보고 가장 코깅토크가 낮은 계자극을 확인하였다. 전동기의 특성을 해석하기 위하여 FLUX2D를 이용하였다.

제안 방법

기존의 소형 전동기를 성능 향상을 위해 희토류 자석으로 대체하고 그에 대한 문제점 중에 하나인 높은 코깅토크를 해결하기 위하여 코깅토크의 감소 방법 중 자석의 형상을 변화시켜 코깅 토크가 가장 낮게 나오는 결과를 확인해 보았다. 70deg~80deg 사이의 계자극각도에서 각도가 작아질수록, 즉 자석폭이 커질수록 코깅 토크가 작아짐을 볼 수 있다.
일반적으로 구동시스템에 들어가는 BLDC 전동기를 설계하려면 외형의 크기에 제약이 있으므로 고정자의 형상은 용량, 토크, 극수가 정해지면 구조변경에 한계가 있기 때문에 구동 시스템의 요구 특성을 만족하는 BLDC 모터를 설계하기 위하여 고정자는 일반적인 사양을 적용하고, 회전자는 자석계자의 형상을 조정하면서 그때의 특성이 어떻게 나타나는지를 알아보았다. 영구자석은 잔류자 속밀도가 높은 희토류 자석을 사용하였다.
자석계자의 각도는 72°, 74°, 76°, 78°, 80°의 변화를 주면서 해석을 하였다. 그림 2는 요소분할된 모습을 나타내고 있다.
코깅토크는 계자석과 전기자구조사이의 상호작용으로 공극에 쌓인 자기에너지가 회전자의 이동과 함께 생기는 것으로, 공극이 증가하면 자속량의 감소만큼 줄어들고 코깅 토크에 큰 영향을 미치는 것은 자기저항의 변화요인 자석의 폭과 슬롯에 주로 있는데 실험에서는 자석폭의 영향을 줄 수 있는 자석계자의 각도 변화를 주었다. 자석계자 72° .
해석은 총 90°의 각을 설정하고 1°씩의 변화를 주면서 시간에 따라 회전하는 공극 부분의 자속과 코깅 토크의 값을 하였다. 총 3주기 동안의 값이며 그중 한주기 부분의 값을 그림 5의 아래 부분과표 3에 나타내었다.

대상 데이터

알아보았다. 영구자석은 잔류자 속밀도가 높은 희토류 자석을 사용하였다. 높은 잔류자속밀도는 큰 코깅 토크를 발생시켜 전동기에 on-off 시맥 동을 일으키는 요인으로 작용을 한다.

데이터처리

전동기 시뮬레이션을 위해 해석 모델을 11683node로 요소분할을 하였다. 자석계자의 각도는 72°, 74°, 76°, 78°, 80°의 변화를 주면서 해석을 하였다.

이론/모형

그림 2는 요소분할된 모습을 나타내고 있다. 자석의 방향성은 Radial 방향으로 해석을 하였고 FLUX2D를 이용하였다.
낮은 계자극을 확인하였다. 전동기의 특성을 해석하기 위하여 FLUX2D를 이용하였다.

후속연구

자석 형상뿐 아니라 공극의 길이, 자석 양 끝 부분의 형상 변화, skew 등의 여러 요인들을 변수로 두어 최적화되는 결과를 찾는다면 보다 좋은 특성을 갖는 전동기를 설계할 수 있을 것이다.

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