[논문]소형모터 설계를 위한 극이방 퍼라이트 사출자석의 특성 고찰

정인성; 성하경; 백수현

소형모터 설계를 위한 극이방 퍼라이트 사출자석의 특성 고찰
Characteristic Analysis of Polar Anisotropic Ferrite-Bonded Magnet for Design of Small Motors 원문보기

정인성 (전자부품연구원 정밀기기연구센터) , 성하경 (전자부품연구원 정밀기기연구센터) , 백수현 (동국대학교 전기공학과)

The magnetization directions of a polar anisotropic ferrite-bonded magnet are analyzed by finite element method (FEM). The influence of the width of Sm-Co magnets for magnetic field generation is investigated. The surface flux densities of the polar anisotropic magnets are analyzed and compared according to the pole number and thickness of the magnets. And the electromotive force (EMF) values of brushless DC motors with the magnets are investigated.

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문제 정의

본 논문에서는 이러한 극이방 페라이트 사 출자석의 특성을 수치 해석법을 이용하여 고찰하고자 한다. 자석 내부의 자화분포가 통상 해석상에서 고려하는 평행 방향 또는 방사 방향이 아니기 때문에 이를 고려하기 위하여 초기 자석의 사출 공정상에서의 이방화 과정을 고려하여영구자석의 자화분포를 결정하는 과정을 거치며, 이 롤이 용하여 2차원유한요소법을 이용하여 자석의 극수, 자극 폭, 두께 등의 주요 변수 변화에 따른 표면자속밀도, 역기전력 특성의 변화를 고찰하고자 한다.
있을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 사항을 고려하기 위하여 그림 [과 같이 영구자석의 극수가 다른 5가지 해석모델을 정하였다.
자석 내부의 자화분포가 통상 해석상에서 고려하는 평행 방향 또는 방사 방향이 아니기 때문에 이를 고려하기 위하여 초기 자석의 사출 공정상에서의 이방화 과정을 고려하여영구자석의 자화분포를 결정하는 과정을 거치며, 이 롤이 용하여 2차원유한요소법을 이용하여 자석의 극수, 자극 폭, 두께 등의 주요 변수 변화에 따른 표면자속밀도, 역기전력 특성의 변화를 고찰하고자 한다. 이를 통하여 본이방성 영구자석을 채용한 소형 영구자석형모터의 설계 시 고려할 수 있는 참고자료를 확보하고자 한다.

제안 방법

비를 일정하게 하였다.고정자 철심의치 폭, 슬롯개구폭들은 슬롯수에 비례하여 변경하였으며, 역기전력 특성의 비교 검토를 위하여 각 모델의 총권선수를 동일하개 해석하였다. 영구자석의 두께에 따른 특성은 다른 치수들은 유지시키면서 영구자석의 내경을 변화시킴으로써 고찰하였다.
따라서 이를 고려하기 위하여 모터의 특성해석 이전에 영구자석의 이 방화 금형에 대한 자계 해석을 수행하여 자화분포를 결정하고, 얻어진 자화 분포를 가지고 이후 BLDC 모터의 특성해석을 수행하였다[3]
본 논문에서는 소형 모터용으로 다양하게 사용되고 있는 페라이트 사 출자석의 특성을 고찰하였으며, 이를 위하여 영구자석의 극이 방 금형에 대한 정자계 해석을 통하여 영구자석의 자계 분포를 결정하는 방법을 사용하였다. BLDC 모터에의 적용을 가정하여 다양하게 해석한 결과 극이 방 사출자석의 두께는 자극수에 상관없이 자극 폭 대비 약 04~0.
고정자 철심의치 폭, 슬롯개구폭들은 슬롯수에 비례하여 변경하였으며, 역기전력 특성의 비교 검토를 위하여 각 모델의 총권선수를 동일하개 해석하였다. 영구자석의 두께에 따른 특성은 다른 치수들은 유지시키면서 영구자석의 내경을 변화시킴으로써 고찰하였다.
수치 해석법을 이용하여 고찰하고자 한다. 자석 내부의 자화분포가 통상 해석상에서 고려하는 평행 방향 또는 방사 방향이 아니기 때문에 이를 고려하기 위하여 초기 자석의 사출 공정상에서의 이방화 과정을 고려하여영구자석의 자화분포를 결정하는 과정을 거치며, 이 롤이 용하여 2차원유한요소법을 이용하여 자석의 극수, 자극 폭, 두께 등의 주요 변수 변화에 따른 표면자속밀도, 역기전력 특성의 변화를 고찰하고자 한다. 이를 통하여 본이방성 영구자석을 채용한 소형 영구자석형모터의 설계 시 고려할 수 있는 참고자료를 확보하고자 한다.

대상 데이터

해석 모델은 내전형 BLDC 모터로 하였으며, 극 수/슬롯수의 비를 일정하게 하였다.고정자 철심의치 폭, 슬롯개구폭들은 슬롯수에 비례하여 변경하였으며, 역기전력 특성의 비교 검토를 위하여 각 모델의 총권선수를 동일하개 해석하였다.

성능/효과

BLDC 모터에의 적용을 가정하여 다양하게 해석한 결과 극이 방 사출자석의 두께는 자극수에 상관없이 자극 폭 대비 약 04~0.5 정도로 설계하는 것이 적정함을 알 수 있었다.
반면 극 이방의 경우에는 영구자석 단체의 표면자속밀도 그래프 (그림7(a))와 유사한 양상을 나타내었다. 본 해석에서는 잔류자속밀도를 동알하게 두었는데, 실제 레디얼 페라이트 소결 자석의 잔류자 속밀도가 0.4T 정도임을 고려하면 극이 방 플라스틱 자석의 특성이 약 90% 내외임을 예측할 수 있다.
그림8은 그림1에 도시한 BLDC 모터에 대하여 역기전력 특성을 해석한 결과를 나타내고 있다. 영구자석의 자화방향을 radial로 가정한 경우에는 자극/슬롯수에 관계없이 거의 일정한 결과를 나타내었으며, 영구자석의 두께가 증가하여도 역기전력이 증가하지 않았다. 반면 극 이방의 경우에는 영구자석 단체의 표면자속밀도 그래프 (그림7(a))와 유사한 양상을 나타내었다.
이를 자극 폭에 대한 비율로 환산하여 다시 그리면 그림 9와 같이 나타나며, 이를 통하여 실제 모터에 적용 시에도 극이 방 영구 자석의 두께/자극폭의 비율은 자극의 수에 상관없이 약 042.5가 적절함을 알 수 있었다.
자석의 뚜께증가에 따라 표면자속밀도가 증가하다가 일정뚜꼐 이상에서는 증가가 둔화됨을 알 수 있으며, 자극 수가 증가함에 따라값이 증가함을 알 수 있다. 그러나 이를 두께/자극폭의 비율에 대하여 다시 그려보면 그림 7(b)와같이 극수에 관계없이 거의 일정한 결과를 나타내었으뗘, 두께/자극폭의 비율이 약 0.

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