본 논문에서는 자속집중 방식의 회전자 구조를 적용한 페라이트영구자석BLDC 모터의 원가절감 설계에 대하여 연구하였다. 자속집중형 회전자에 Al-wire가 적용된 신규 모터를 이용하여 Cu-wire가 사용된 표면부착형 모터와 동일 외경, 동등 이상 효율, 동등 이하 적층에서 원가절감 하였다.
본 논문에서는 자속집중 방식의 회전자 구조를 적용한 페라이트 영구자석 BLDC 모터의 원가절감 설계에 대하여 연구하였다. 자속집중형 회전자에 Al-wire가 적용된 신규 모터를 이용하여 Cu-wire가 사용된 표면부착형 모터와 동일 외경, 동등 이상 효율, 동등 이하 적층에서 원가절감 하였다.
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문제 정의
가전용 모터의 경우 모터 단품으로 사용되지 않고, 세탁기와 에어컨, 냉장고와 같은 제품 내 설치 장소에 취부되는 관계로 기존 모터를 대체하는 신규 개발의 경우 기존과 동일한 취부구조 및 외관을 가질 수 있도록 설계하는 것이 일반적이다. 본 논문은 기존의 표면부착형 영구자석 모터를 자속집중형 방식으로 변경하여 원가절감하는 것에 목표가 있으므로, 기존 표면부착형 대비 동등한 외경, 동등 이하의 적층을 가지면서, 동등 이상의 모터효율이라는 제약조건 하에서 연구를 진행하였다.
후)동손저감을">동손 저감을 위한 기존 설계안들은 대부분 기술적인 접근이 용이한 관계로 상대적으로 오버헤드 비용이 높은 국내 업체들의 경우 해당 기술로는 가격 경쟁력 확보가 불가능하다는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 기존과는 상이하면서, 높은 가격 경쟁력 구현이 가능한 자속집중형 방식인 Spoke Brushless DC(BLDC)에 대하여 연구하였다.
">가진다[1]-[4]. 이에 본 논문에서는 이와 같은 자속집중형 모터 구조를 이용하여, 가전용 소형 모터분야에서 효율 특성이 중요한 제품군에 일반적으로 적용되고 있는 표면부착 방식의 영구자석 모터로는 달성하기 어려운 수준의 가격 경쟁력을 Spoke 타입을 이용한 연구를 통해 구현하였다.
제안 방법
">신규 모터이다. 두 모터 모두 회전자 코어에 영구자석을 부착하기 위해 본드를 이용하였으며, 기존 모터와 신규 모터에는 동일한 Grade의 아크타입의 이방성 영구자석과 바 타입의 이방성 영구자석이 각각 사용되었다.
해당 소비전력에는 모터 단품의 소비전력에 추가적으로 모터를 구동하는 제어기의 소비전력도 포함되어 있다. 두 모터의 실험에서 제어기는 동일한 것을 사용하였으며, 각 모터에 맞춰 파라미터 및 내부 게인 튜닝은 최적화되었다.
이때 자속량을 증가시키는 형상설계는 양산성을 저하하는 요인으로 작용하기 때문에, 자속량을 증가시키면서 가능한 수준의 양산성을 확보하는 적당한 수준에서 회전자 설계가 이루어졌다. 모터의 설계사양과 관련하여 상기 표 1에 기존 모터와 자속집중형 방식으로 설계된 신규 사양들을 비교하였다. 수치로 표시되는 사양들은 모두 기존
본 논문에서는 기존 표면부착형 방식의 영구자석 모터를 자속집중형 방식을 이용한 신규 모터를 이용하여 모터 외경이나 기타 주요 사양들은 동등한 수준으로 유지하면서 Al-wire를 적용하는 원가절감 설계를 진행하였다. 결과적으로 모터의 효율은
설계된 모터의 성능평가 및 기존 모터와의 성능비교를 위하여 실제 Set 부하와 등가인 팬 부하를 이용하여 동일한 부하조건에서 팬 구동용 모터로 취부되어 각 속도에서의 성능특성을 측정하였다.
후)영구자석형상을">영구자석 형상을 설계하였다. 이때 자속량을 증가시키는 형상설계는 양산성을 저하하는 요인으로 작용하기 때문에, 자속량을 증가시키면서 가능한 수준의 양산성을 확보하는 적당한 수준에서 회전자 설계가 이루어졌다. 모터의 설계사양과 관련하여
후)표면 부착형">표면부착형 모터보다 40% 이상 자속량을 증가시켰다. 이를 위해 자석의 표면적을 극대화 시키는 방향으로 회전자 코어 및 영구자석 형상을 설계하였다. 이때 자속량을 증가시키는 형상설계는 양산성을 저하하는 요인으로 작용하기 때문에, 자속량을 증가시키면서 가능한 수준의 양산성을 확보하는 적당한 수준에서 회전자 설계가 이루어졌다.
또한 사용된 자석의 Grade도 동일하며, 자석의 전체 사용량도 동등한 수준이다. 이와 같은 사양에서 신규 자속집중형 모터는 적층은 17% 저감하면서도, 기존 Cu-wire를 Al-wire로 대체하였으며, 모터 전체 중량을 18% 정도 저감하면서 모터의 효율은 동등 이상으로 구현하였다.
성능/효과
후)그림3">그림 3 (b)에 나타나 있듯이 전 속도 구간에서 기존 모터 대비 소비전력이 작아 효율특성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었으며, 해당 결과는 모터의 상저항 및 무부하 역기전력을 통해 산출된 토크상수를 기반으로 예측한 결과와도 일치하였다.
후)신규모터를">신규 모터를 이용하여 모터 외경이나 기타 주요 사양들은 동등한 수준으로 유지하면서 Al-wire를 적용하는 원가절감 설계를 진행하였다. 결과적으로 모터의 효율은 동등 이상으로 유지하면서 모터의 전체 중량은 18% 정도 저감할 수 있었으며, 이를 통해 이에 해당하는 원가절감을 달성할 수 있었다.
후)수밖에">수 밖에 없는 구조이다. 결과적으로 본 논문에서의 설계제약 조건을 만족하면서 기존 모터보다 가격 경쟁력이 높은 모터를 설계하기 위해서는 동일한 자석 사용량을 가지고도 자속량을 기존 대비 40% 이상 획기적으로 증대시킬 수 있는 자속집중형 모터를 사용할 수 밖에 없다.
결과적으로, 동일한 성능과 체적의 영구자석을 사용한다면 그림 2 (b) 와 같이 영구자석 표면적을 키울 수 있는 자속집중형 방식이 표면부착형 방식보다 큰 자속량을 얻을 수 있으며, 총 자속량의 증가정도는 표면적의 크기와 직접적인 비례관계에 있다. 이는 동일한 외경과 동일한 회전자 중량이라는
신규 설계된 자속집중형 모터는 동등한 수준의 회전자 외경 및 영구 자석을 사용 조건에서 기존 표면부착형 모터보다 40% 이상 자속량을 증가시켰다. 이를 위해 자석의 표면적을
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