초록 ▼

DC 모터 분야에서의 연구 및 개발은 1980년대 종전의 영구자석(ferrite magnet)의 2배 이상의 잔류자속밀도(Br)와 높은 보자력(Hc)을 가진 rare earthmagnet의 일종인 Neodymium-Iron-Boron (NdFeB)의 개발과, 싼 가격의 IC회로가 기존의brush에 의한 commutation을 대체함으로써 높은 Commutation 토오크와 반영구적인 수명을가진 brushless DC (BLDC) 모터를 탄생시켰으며 다양한 분야에 그 사용이 날로 증가하고있다. 그러나 BLDC 모터

DC 모터 분야에서의 연구 및 개발은 1980년대 종전의 영구자석(ferrite magnet)의 2배 이상의 잔류자속밀도(Br)와 높은 보자력(Hc)을 가진 rare earthmagnet의 일종인 Neodymium-Iron-Boron (NdFeB)의 개발과, 싼 가격의 IC회로가 기존의brush에 의한 commutation을 대체함으로써 높은 Commutation 토오크와 반영구적인 수명을가진 brushless DC (BLDC) 모터를 탄생시켰으며 다양한 분야에 그 사용이 날로 증가하고있다. 그러나 BLDC 모터의 자속밀도의 제곱에 비례해서 나타나는 강한 자력은 높은commutation 토오크를 만들기도 하나 BLDC 모터 및 주변 구조물에 심각한 소음 진동 문제를 발생시켜 이에 대한 방지 대책 및 자력의 특성에 대한 연구 또한 시급하다. 이러한BLDC 모터의 자력과 토오크는 사용된 영구자석의 자력, 자화방향, 자석수, 자석의 두께,rotor 와 stator사이의 공극, coil의 winding 형태, coil의 감긴 수 등에 의해 결정되며 이 설계 변수가 최적으로 선정되었을 때 BLDC 모터의 성능을 최대화시키고 소음진동을 최소화시킬 수 있어 이에 대한 체계적인 연구를 필요로 한다.본 연구는 BLDC 모터에 존재하는 자력, 코깅토오크, 토오크의 발생 원리를 연구하고각 설계 변수들이 BLDC 모터의 성능에 미치는 영향을 분석하여 BLDC 모터의 성능을 최적화는 것을 목적으로 한다. 2차년도에 걸친 연구 기간 중, 1차년도에서는 BLDC 모터를2차원 유한 요소 해석, Maxwell stress tensor, virtual work, 주파수 분석 등을 통해 BLDC모터에 존재하는 자력, 코깅토오크, 토오크의 발생 원리를 분석하였다. 특히 pole, teeth 및winding의 배열이 회전 비대칭인 경우, 비평형 자력이 존재하며 비평형 자력의 가진 주파수가 pole수의 정수배로 존재함을 규명하였다. 2차년도 연구에서는 3차원 유한 요소 해석을통해 영구자석의 축 방향에 따른 자화 형상의 변화와 같은 축 방향 비대칭 구조에 의한 자력, 코깅토오크, 토오크의 특성을 분석하였으며, 영구자석에 skew를 주었을 때, 코깅토오크의 감소 원리와 축 방향 비평형 자력의 발생 경향을 분석 하였다. 특히 한 방향으로만 회전하는 BLDC 모터의 경우 herringbone 형상의 영구자석 자화 형태를 이용할 경우 기존의BLDC모터보다 훨씬 향상된 토오크를 발생시키는 고효율의 BLDC 모터를 얻을 수 있는 방법을 제시하였다.이와 같이 본 연구의 해석 방법 및 연구 결과는 Hard Disk Drive의 스핀들 모터, 전기 자동차의 대체 엔진으로 유망한 BLDC 모터 및 어뢰의 추진 장치로 쓰이는 BLDC 모터등의 설계 및 해석에 이용 될 수 있어 국내 BLDC 모터 기술 향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

The research and the development of DC Motor industry hadbreakthrough in the 1980's by the invention of Neodymium-Iron-Boron(NdFeB).NdFeB, one of the rare earth magnet, has high coercivity (Hc) and two times higherresidual magnetic flux density (Br) than conventional ferrite magnet. At

The research and the development of DC Motor industry hadbreakthrough in the 1980's by the invention of Neodymium-Iron-Boron(NdFeB).NdFeB, one of the rare earth magnet, has high coercivity (Hc) and two times higherresidual magnetic flux density (Br) than conventional ferrite magnet. At the same timethe cheap IC device replaces the commutation of brush in DC motor. They havedeveloped the brushless DC(BLDC) motor with high torque production, and long life andthe application areas of BLDC motor are getting increased. Even though the highmagnetic flux from NdFeB produces the high torque, it produces the rotating magneticforce which is proportional to the square of magnetic flux density and may vibrate themotor and its structure. Hence, it is required to study the characteristics of magneticforce, cogging torque and torque due to the variation of design parameters of BLDCmotor, i.e., pole, teeth and winding configuration.The purpose of this research is to analyze the magnetic force, the cogging torqueand the torque in a BLDC motor, and to optimze its performance. In the first year, itcharacterized the magnetic force, the cogging torque and the torque using 2 dimensionalfinite element analysis, Maxwell stress tensor, virtual work and frequency analysis dueto the change of pole, teeth and winding configuration of a BLDC motor. It alsoinvestigated the unbalanced magnetic force whose excitation frequency is the integermultiple of the number of pole. It only exists in the rotational unsymmetric deisgn ofa BLDC motor.In the second year, it characterized the magnetic force, the cogging torque and thetorque using 3 dimensional finite element analysis due to the change of the magnetizedpattern of pole in a BLDC motor. It investigated the reduction mechanism of coggingtorque and the production mechanism of the unbalanced axial force for the skewmagnet. It also showed that the herringbone magnet produced the high torque inunidirectional BLDC motor.The analysis techniques and the results form this research can be applied to thedesign and the analysis of a BLDC motor, i.e., the spindle motor of computer hard diskdrive, the BLDC motor for the replacement of the engine of a vehicle and for thepropulsion device of a torpedo, so that it will contribute to the development oftechnology in a BLDC motor industry.

목차 Contents

• I. 서론...7
• II. 해석방법...8
• II.1 Maxwell Epuation...8
• II.2 유한요소방정식...9
• II.3 Maxwell stress tensor...10
• II.4 자력...11
• II.5 토오크...12
• II.6 주파수 분석...12
• II.7 3차원 해석...13
• II.8 FEM 모델...15
• III. 2차원 해석 결과...16
• III.1 결선 형태 및 commutation 순서...16
• III.2 자력...16
• III.3 토오크...18
• III.4 비평형 자력...19
• IV. 3차원 해석 결과...20
• IV.1 축 방향 비대칭 구조에 따른 자력 특성...20
• IV.2 영구자석의 자화 형상에 따른 자력 특성...22
• V. 결론...25
• 참고문헌...26
• 그림...28