[논문]초고속 소형 BLDC 전동기의 설계

장석명; 조한욱; 최장영; 유대준; 권정기; 최상규

초고속 소형 BLDC 전동기의 설계
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장석명 (충남대학교) , 조한욱 (충남대학교) , 최장영 (충남대학교) , 유대준 (충남대학교) , 권정기 (충남대학교) , 최상규

Recently, a high-speed motor has been generating a lot of attention due to its performance-more light, thin, short, compact than ordinary moters. This paper descirbes the design of the small high-speed BLDC motor with the ratings of 0.5HP and 70 000 rpm for industrial application such as machine tool. Simulation results are given, which show that motor efficiency of higher than 80%.

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문제 정의

본 논문에서는 산업현장이나 특수 목적용으로 고용량 소형 시스템에의 적용 특성이 매우 우수한 초고속 소형 BLDC 전동기의 설계 및 특성해석을 수행하였다. 전동기의 회전자는 영구자석 표면 부착형 SPM 을 Ring Magnet 형태로 직경방향 자화를 가지며, 고정자는 집중권을 행하여 설계 및 해석을 하였다.
motor)로 분류된다(2). 본 논문에서는 초고속 휘 전에 적합하도록 구조적으로 간단한 형태인 Rmg Magnet를 갖는 SPM을 표 1과 같은 설계 요구자의 셰약 사항에 따라 설계를 수행하였다.

제안 방법

초기설계에서 전동기의 특성이 요구사항을 만족하게 되더라도, 치의 포화에 의한 철손의 증가로부터 효율감소 및 전동기의 온도상승에 관한 문제가 발생할 수 있다. [2], 본 연구에서 설계된 BLDC 전동기의 치 자속밀도는 0.7 (T), 고정자 요크 자속밀도는 0.5 (T), 권선의 점적률은 40(%)가 되도록 치폭 및 슬롯 단면적을 변경하여 설계과정을 수행하였다.
본 논문에서는 0.5 HP급 70000 rpm의 정격출력 및 정격속도를 갖는 초고속 BLDC 전동기에 대하여, 초고속회전에 따른 원심력에 충분히 견디는 구조를 갖는 영구자석 회전자 및 손실의 최소화를 위한 고정자를 설계하고, 시뮬레이션을 통하여 출력특성을 해석하였다.
요구되는 출력을 만족하는 초고속 BLDC 전동기의 초기 설계시 체격을 결정하기 위한 방법으로 회전자 체적당 토크 (TRV : Torque per Rotor Volume) 결정 방법을 사용하였고, 용량이 비교적 작은 초고속전동기의 설계시의 경험치로, 약 15 정도의 TRV를 적용하였다. 여기서, TRV 는 식(1)로 정의돤다 [3].
전동기의 특성상 요구되는 속도가 매우 높고 체적이 작으므로 와이어 컷팅에 의한 고정자 코어의 제작 및 조립의 용이성을 고려하여 단순한 고정자의 형샹을 선정하였다,
전동기의 회전자는 영구자석 표면 부착형 SPM 을 Ring Magnet 형태로 직경방향 자화를 가지며, 고정자는 집중권을 행하여 설계 및 해석을 하였다. 본 연구결과를 바탕으로 향후 시스템과의 결합된 구동특성 및 제작을 통한 연구가 지속되어야 할것으로 사료된다.

성능/효과

3 Arms 이다. 한편, 본 연구에서 제시한 모델의 경우 직경 방향으로 자화된 영구자석 회전자는 공극자속밀도가 정현적 특성을 가지므로, 공극 퍼미언스의 변화에 의한 코깅토크가거의 발생하지 않게 되며, 본 설계 모델의 경우, 정격 토크의 약 3%에 해당하는 코깅토크가 발생하므로 전동기의 특성에 큰 영향을 미치지 못한다.

후속연구

그러나, 초고속 회전에 따른 회전자의 기계적인 스트레스나 초고주파 입력전원에 의한 철손증가, 제어 기술, 베어링, 방열과 냉각 등 전기적, 기계적 물성적으로 광범위한 문제가 야기되므로, 더욱 활발한 연구를 요구한다.
전동기의 회전자는 영구자석 표면 부착형 SPM 을 Ring Magnet 형태로 직경방향 자화를 가지며, 고정자는 집중권을 행하여 설계 및 해석을 하였다. 본 연구결과를 바탕으로 향후 시스템과의 결합된 구동특성 및 제작을 통한 연구가 지속되어야 할것으로 사료된다.

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