<353420B1E8BFB5C8C62D20C4DCC5A9B8AEC6AE20B9D9C0CCBAEAB7B9C0CCC5CDBFA12E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "<353420B1E8BFB5C8C62D20C4DCC5A9B8AEC6AE20B9D9C0CCBAEAB7B9C0CCC5CDBFA12E687770>"

지민 신
5 years ago
Views:

1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 20, No. 3 pp , ISSN / eissn 김영훈, 진창성, 김재혁 * 원광대학교전기공학과 A Research on the Design of Slotless BLDC Motor for Concrete Vibrator Young-Hun Kim, Chang-Sung Jin, Jae-Hyuck Kim * Department of Electrical Engineering, Wonkwang University 요약본논문에서는콘크리트바이브레이터에 Slotless BLDC (Brush Less Direct Current) 모터를적용하기위해 BLDC 모터의토크및역기전력식을기반으로하여설계를한다. 모터의길이와직경의사이즈가주어져있으므로중요한파라미터는공극자속밀도이다. 자기회로의간략화를통하여공극자속밀도를계산하였으며, 토크, 역기전력및공극자속밀도식을기반으로기초설계를진행하여모터의형상을결정하였다. 이후모터의고정자의외경및내경, 스택길이, 속도를고정값으로설정한후모터의직경및두께를변수로지정하여유한요소법을이용한시뮬레이션을통해상세설계를진행하였으며, THD(Total Harmonic Distortion) 값이작으면서목표토크값이상의형상을설계및시뮬레이션을진행하였다. Abstract In this paper, the design of BLDC (brushless direct current) motors based on torque and back-emf equations was carried out to assess the application of the motor in concrete vibrators. The air gap flux density of the motor is an important parameter because the length of the motor and the size of the diameter are given. The air gap magnetic flux density was calculated through a simplified magnetic circuit, and basic design of the shape and dimensions of the motor were then determined by carrying out experiments based on torque, back-emf, and air magnetic flux density equations. After setting the outer and inner diameters, stack lengths, and rated speed of the motor, a detailed design was performed by simulations using the finite element method by designating the diameter and thickness of the motor as the key parameters. The final design to satisfy the target torque and the lowest THD (Total Harmonic Distortion) was carried out along with a simulation. Keywords : Slotless BLDC, Concrete Vibrator, THD, Torque, Back-EMF 1. 서론콘크리트바이브레이터란콘크리트타설후내부의기포를제거하는작업즉다짐작업에이용되는산업장비이다. 다짐작업이제대로안되어콘크리트내부의기포 가있는상태로굳게되면균열의원인이된다. 그러므로콘크리트다짐작업은 10,000rpm 이상의고주파바이브레이팅을필요로한다. Slotted BLDC 모터는고효율, 우수한성능및높은출력밀도의장점이있으며 [1~2], 항공, 가전기기, 정보통신기기, 견인용차량, 전기자전거, 본연구는 2018학년도원광대학교의교비지원에의해수행됨. * Corresponding Author : Jae-Hyuck Kim(Wonkwang Univ.) Tel: jaehkim@wku.ac.kr Received December 4, 2018 Revised February 12, 2019 Accepted March 8, 2019 Published March 31,

한국산학기술학회논문지제 20 권제 3 호, 2019 전동스쿠터 [3] 등다양한분야에서활발한연구개발및활용되고있으며 [3], 제어알고리즘및제어기의성능향상을위한개발도다양하게이루어지고있다 [4]. Slotted BLDC 모터는슬롯이있는구조이며, 슬롯구조로인하여코깅토크가발생하게된다. 이로인해토크리플, 소음및진동이발생하게된다.

2 한국산학기술학회논문지제 20 권제 3 호, 2019 전동스쿠터 [3] 등다양한분야에서활발한연구개발및활용되고있으며 [3], 제어알고리즘및제어기의성능향상을위한개발도다양하게이루어지고있다 [4]. Slotted BLDC 모터는슬롯이있는구조이며, 슬롯구조로인하여코깅토크가발생하게된다. 이로인해토크리플, 소음및진동이발생하게된다. Slotless BLDC 모터는슬롯이없는구조로써고정자의모형이원형이다. 치구조가없기때문에자기포화가발생하지않고코깅토크가거의없으므로소음및진동이현저하게적다 [5~7]. Slotted BLDC 모터와동일한크기라고가정했을때, 영구자석의크기를더크게가져갈수있으므로출력밀도가높으며소형화에유리하다. 따라서본논문에서는사이즈의제한치가작으므로소형에유리한 Slotless BLDC 모터의설계및시뮬레이션을진행하고자한다. (2) 여기서, 는역기전력, 은한상의직렬턴수, 는공극자속밀도, 는공극의직경, 는적층길이, 은기계각속도, 는토크, 그리고 는한상의전류를나타낸다. Fig. 1. 과 Fig. 2. 는각각슬롯이없는 BLDC의형상과고정자의권선배치도를나타내고있다. Fig. 3. 은자기회로를나타내고있으며, 이회로는 Fig. 4. (a) 로나타낼수있다. Fig. 4. 는복잡한자기회로를간단하게만드는과정을나타내고있다. Fig4. (a) 에서누설자속 은전체자속 에비해매우작으므로무시를하게되면 Fig. 4. (b) 처럼나타낼수있다. Fig. 4. (b) 에전류원부분은전기회로의노턴의등가회로와같으므로그림 Fig. 4. (c) 와같이나타낼수있다. 2. 본론 2.1 모터설계목표사양설계하고자하는 Slotless BLDC 모터의목표사양을 Table 1에나타내엇다. Table 1. Specification of motor design target div. Value Unit Stator outer diameter 38 mm Shaft diameter 10 mm Stack length 70 mm Torque 0.4 N m Rotational speed 10,000 r/min Number of coil turns 11 - Number of poles 4 - Fig. 1. Shape of Slotless BLDC motor 2.2 기초설계식 (1) 과 (2) 는각각 BLDC 모터의역기전력과토크를나타내고있다. 이두개의식을기반으로 Slotless BLDC 모터를설계하는데모터의사이즈는제한치사양으로주어져있으므로가장중요한파라미터로는공극자속밀도이며본절에서는공극자속밀도를구하는식을유도하였다. Fig. 2. Stator winding layout (1) 466

(4) (5) Fig. 3. Magnetic circuit of slotless BLDC motor 여기서,,, 는각각코일당쇄교하는자속, 영구자석에서의자속, 공극자속을나타내고있고,, 는각각영구자석의두께, 공극의길이를나타내며,, 는각각자속이나오는영구자석의면적, 공극의면적을나타낸다. 또한 은비투자율을나타낸다.

Simplified magnetic circuit of slotless BLDC motor Fig. 4. (d) 는고정자와회전자의자기저항과공극의자기저항을합쳐서나타낸회로이다. 여기서철심의자기저항이공극에자기저항에비해매우작음으로릴럭턴스계수 을이용하여고정자및회전자의자기저항을고려하였다 [7~8]. Fig. 4. (d) 를이용하여식 (3) 과같이공극자속의식을구할수있으며, 앞에서회로를간략화하는과정에서누설자속 을무시하였었는데, 누설계수 로보상해줌으로써공극자속을다음식 (5) 와같이구할수있다.

3 (4) (5) Fig. 3. Magnetic circuit of slotless BLDC motor 여기서,,, 는각각코일당쇄교하는자속, 영구자석에서의자속, 공극자속을나타내고있고,, 는각각영구자석의두께, 공극의길이를나타내며,, 는각각자속이나오는영구자석의면적, 공극의면적을나타낸다. 또한 은비투자율을나타낸다. 공극의면적 는고정자의면적과영구자석의면적의평균을취하여식 (6) 과같이나타낼수있다. 최종적으로구하려고하는공극의자속밀도 는식 (5) 의공극에서의자속을공극의면적식 (6) 으로나눗셈계산을하게되면식 (7) 과같이나타낼수있다. (a) (b) (6) (7) (c) Fig. 4. Simplified magnetic circuit of slotless BLDC motor Fig. 4. (d) 는고정자와회전자의자기저항과공극의자기저항을합쳐서나타낸회로이다. 여기서철심의자기저항이공극에자기저항에비해매우작음으로릴럭턴스계수 을이용하여고정자및회전자의자기저항을고려하였다 [7~8]. Fig. 4. (d) 를이용하여식 (3) 과같이공극자속의식을구할수있으며, 앞에서회로를간략화하는과정에서누설자속 을무시하였었는데, 누설계수 로보상해줌으로써공극자속을다음식 (5) 와같이구할수있다. (d) 식 (1), (2) 및 (7) 을이용하여기초설계를진행하여 Fig. 5. 와같은형상을결정하였으며, Fig. 6. 은 10,000rpm에서의역기전력을나타내며그림 Fig. 7. 은 BLDC 외부회로를이용하여시뮬레이션한토크파형을나타내고있다. (3) Fig. 5. Basic design result slotless BLDC motor shape 467

한국산학기술학회논문지제 20 권제 3 호, 2019 45 5 3.086 0.295 44 2 1.276 0.284 44 3 1.140 0.400 44 4 0.966 0.444 44 5 4.184 0.314 43 2 1.075 0.279 43 3 0.814 0.396 43 4 1.556 0.445 43 5 5.274 0.332 42 2 0.860 0.

4 한국산학기술학회논문지제 20 권제 3 호, Fig. 6. Back EMF(Electromotive force) result of basic design Fig. 7. Torque result of basic design Fig. 8. Detailed design result slotless BLDC motor shape 2.3 상세설계 Slotless BLDC 모터의샤프트의직경, 고정자의외경및내경, 회전속도, 스택길이, 코일턴수를고정값으로설정하였으며, 영구자석의내각과두께를변수로지정하여시뮬레이션을진행하였다. 영구자석의내각을 40~45, 1 단위영구자석의두께를 2~5 mm, 1 mm 단위로시뮬레이션을진행한결과역기전력의 THD (Total Harmonic Distortion) 값이작고토크값이 N m 인영구자석의내각 44, 영구자석의두께 4mm를선정하였다. 시뮬레이션결과는 Table 2 에나타내었다. 선정된 Slotless BLDC모터의형상은 Fig. 8. 에나타냈으며, 그에따르는역기전력및토크의결과는각각 Fig. 9. 와 Fig. 10. 에나타내었다. Fig. 9. Back EMF result of detailed design Table 2. Simulation results Interior angle of permanent magnets[ ] Thickness of permanent magnets[mm] THD Torque [N m] Fig. 10. Torque result of detailed design 468

3. 결론본논문에서는콘크리트바이브레이터용 Slotless BLDC 모터의기초형상설계및영구자석의두께및내각에따른해석내용을다루었다.

[8] Chang-Sung Jin, Design and Control Performance Improvement of BLDC Drive Motor for Traction, PhD Dissertation, Hanyang University Graduate School, February, 2011.

Yves Perriard, Theoretical and Experimental Investigation of Flex-PCB Air-Gap Windings in Slotless BLDC Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. 50, No.5, pp.

5 3. 결론본논문에서는콘크리트바이브레이터용 Slotless BLDC 모터의기초형상설계및영구자석의두께및내각에따른해석내용을다루었다. 콘크리트바이브레이터모터의크기제한을고려하여직경및외경고정값들을반영하였으며, 변수로설정된영구자석의두께및내각에따라유한요소법을이용한해석을진행하여변수의변화에따른 THD, 토크값의경향을알수있었으며, 콘크리트바이브레이터의모터로부합하는결과를도출할수있었다. [8] Chang-Sung Jin, Design and Control Performance Improvement of BLDC Drive Motor for Traction, PhD Dissertation, Hanyang University Graduate School, February, 김영훈 (Young-Hun Kim) [ 정회원 ] 2017 년 2 월 : 원광대학교전기공학과졸업 2017 년 3 월 현재 : 원광대학교대학원전기공학과석사과정 2019 년 1 월 현재 : ( 주 ) 고아정공모터사업부, 주임연구원 References [1] Bruno Dehez, François Baudart, Miroslav Markovic, and Yves Perriard, Theoretical and Experimental Investigation of Flex-PCB Air-Gap Windings in Slotless BLDC Machines, IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. 50, No.5, pp , September/October, DOI: [2] Xiaoyan Huang, Andrew Goodman, Chris Gerada, Youtong Fang, Qinfen Lu, Design of a Five-Phase Brushless DC Motor for a Safety Critical Aerospace Application, IEEE Transactions on Industrial Electronics, VOL. 59, NO. 9, pp , September, DOI: [3] Hyoung-Keun Park, High Power BLDC Motor Control System of Electric Scooter for Disabled Person, Journal of Korea Academy Industrial Cooperation Society, VOL. 14, NO. 3, pp ~ 1392, March, DOI: [4] Young-Sik Kim, Sung-joong Kim, The Design of Fuzzy P+ID Controller for Brushless DC Motor Speed Control, Journal of Korea Academy Industrial Cooperation Society, VOL. 7, NO. 5, pp. 823 ~ 829, October, DOI: [5] Hong-Seok Kim, Sung-Jin Kim, Gyu-Hong Kang, Design of small slotless BLDC motor for robot using Space Harmonic Analysis Method, Conference Proceedings, The 36 th KIEE Summer Conference 2018, pp ~ 1134, July, [6] Jung-Moo Seo, Joo-Han Kim, In-Soung Jung, Hyun-Kyo Jung, Design and Analysis of Slotless Brushless DC Motor, IEEE Transactions on Industry Applications, VOL. 47, NO. 2, pp , March/April, DOI: [7] In-Soung Jung, Jung-Moo Seo, Joo-Han Kim, Se-Hyun Rhyu, Development of slotless type brushless DC motors and planetary gear heads for robot, th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), pp , November, DOI: 전력전자, 전동기설계 진창성 (Chan-Sung Jin) [ 정회원 ] 2001년 3월 2003년 2월 : 한양 대학교 공과대학 전기공학과 ( 공학 석사 ) 2003년 2월 2007년 6월 : 대우 일렉트로닉스선임연구원 2007년 3월 2011년 2월 : 한양 대학교 공과대학 전기공학과 ( 공학 박사 ) 2011년 2월 2018년 3월 : 한화지상방산국방로봇팀책 임연구원 2018년 4월 현재 : 원광대학교전기공학과조교수 모터설계및제어, 신재생에너지, 전기자동차, 드론 김재혁 (Jae-Hyuck Kim) [ 정회원 ] 1998 년 11 월 2000 년 6 월 : UL Korea, Engineer 2004 년 8 월 : Univ. of Wisconsin at Madison ( 공학석사 ) 2010 년 5 월 : Virginia Tech( 공학박사 ) 2010 년 1 월 2010 년 6 월 : Ramu Inc. Senior Engineer 2010 년 9 월 현재 : 원광대학교전기공학과부교수 전동기 발전기제어, 전력전자, 에너지변환 469

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Mar.; 28(3),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2017 Mar.; 28(3), 163 169. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2017.28.3.163 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) PCB