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민자 배
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1 Ⅲ. BLDC 1. Overview 는 BLDC, PMDC, SRM 의세가지 type 을지원하며, 이중이장에서다룰 BLDC 는 Brushless DC Motor 를의미한다. 즉 BLDC Motor 는 PMDC 모터에서기계적으로 (brush 와 commutator 에의하여 ) 행해지던정류작용을반도체스위치를이용하여전기적으로대체한것으로미래형고효율모터로서각광을받고있는모터이다. BLDC 모터는그이름의모호성에서부터알수있듯이그에대한정의가혼용돼서사용되고있다. 따라서본장에서는먼저 가포함하는 BLDC 모터의범위를분명히하고자한다. 에서 BLDC 라함은 영구자석 DC 모터를뒤집어놓은것과동일한모양즉내부에서회전하는영구자석과외부에고정된전기자를갖고있는가장일반적인형태의 bldc 모터 영구자석 DC 모터와동일한구조이지만 brush 와 commutator 가없고외부의영구자석이회전하는 exterior bldc 모터 회전자에유기되는역기전력파형이 sinewave 꼴인 PMAC 혹은 BLAC 라고불리우는동기모터를모두포함하는의미이다., 는 DC 모터와같이사다리꼴모양의역기전력파형를갖고그에따라사다리꼴모양의전류에의해동작이되기때문에 DC 모터와동일한해석방법이적용되고, 은역기전력파형과전류의파형이모두정현파의형태를띄기때문에일반동기전동기의해석원리를따른다는점에서차이가있으나영구자석을계자로사용하고 Inverter 회로에의해구동된다는점그리고자석모양, 권선방법그리고 skew 등에의해역기전력파형을사다리꼴혹은정현파모양으로만들수가있기때문에둘사이의구분을없애고하나의범주에포함시켰다

2. Tutorial BLDC 각설계변수들과형상치수에대한물리적의미와설명은 III.3 에서하도록하고, 이장에서는간단한따라하기예제를연습해보도록한다 ( 주로 default.bldc 파일설정을그대로쓴다 ). 2.1 General procedure of Motor design.

2 2. Tutorial BLDC 각설계변수들과형상치수에대한물리적의미와설명은 III.3 에서하도록하고, 이장에서는간단한따라하기예제를연습해보도록한다 ( 주로 default.bldc 파일설정을그대로쓴다 ). 2.1 General procedure of Motor design. 아래의순서대로설계변수들을설정한다 : Topology Stator Rotor Side Winding Material Etc Control 프로그램을실행시킨후 File 메뉴에서 New 메뉴를선택해서, BLDCinterior 를선택한다. 그러면메인화면은아래와같다. Interior Motor Fig New-BLDC(interior) 선택후의메인화면. 모터구조에서회전자석계자가내부에있고고정전기자가외부에있는모

3 터를지칭한다. 부하에대한빠른가속, 감속이필요한모터에주로사용된다. ( 토크 ) / ( 관성모멘트 ) 의비율이높을수록좋다 Exterior Motor 모터구조에서회전자석계자가외부에있고고정자가내부에있는모터를지칭한다. 빠른회전속도와중간회전속도에서정속도를필요로하는모터에주로사용된다. 맨처음으로 topology 를정해야하는데, 다음과같이설정해보자 : 4pole, 24slots (phase 수는 3으로고정된다 ). Fig Topology dialog box. 다음으로 stator 설계변수들을다음과같이기본값을그대로받아들이자 : RadS- 56mm, RadSI-30.5mm, TW-3.6mm, SO-2mm, TGD=0.7mm

Fig. 3.3. Stator dimension 결정. 다음으로 rotor 설계변수들을다음과같이기본값을그대로받아들이자 : RadRO-29.4mm, RadRI-20mm, Rshaft-10mm, Lm-9.4mm. Fig. 3.4. Rotor dimension 결정.

4 Fig Stator dimension 결정. 다음으로 rotor 설계변수들을다음과같이기본값을그대로받아들이자 : RadRO-29.4mm, RadRI-20mm, Rshaft-10mm, Lm-9.4mm. Fig Rotor dimension 결정. 다음으로축설계변수를다음과같이기본값을받아들이자 : MOH-4.5mm, Skew- 0, Lend1-20mm, Lend2-20mm, LoffM-1.5mm. Lstk-75mm

5 Fig Motor Side dialog. 축형상은기본적으로아래와같이 9 단으로구성되어있다. Fig 기본축형상

6 다음으로권선설계변수를다음의기본설정을그대로받아들인다 : Type-Integral Slot Winding, Wire Dia.=0.8, Throw-5, NSH-1, TC-56(turns per coils). -Wire 직경을변경하려면 Change 버튼은누른다. Fig 권선설계변수설정. 다음으로재료설정을다음의기본설정을그대로받아들인다 : stator steel RM23, rotor steel RM23, magnet TOKIN_SR-2H. Fig 재료설정. 재료종류를바꾸려면각각의 Mod. 버튼을누르면된다 ( 버튼을누르면아래의대화상자가열린다 )

7 Fig 재료종류변경. 다음으로 Etc 변수들을다음과같이기본설정값을그대로받아들인다 : Mtemp- 20, Wtemp-20, MTempL: -10,DegCW-0.9, Liner-0.5, MWF-1.5, 그외

8 Fig Etc 설정. 다음으로제어변수들을다음과같이기본설정값을그대로받아들인다 : RPM- 3000, I_line[rms] -3.2, Vs-310. Fig 제어변수설정. 모든설계변수들이결정되면 Output tab. 내의 Common -Input Para. 에서그설정값들을확인할수있다

Fig. 3.12. Input parameter 확인. 아이콘을누르면아래그림처럼 MMF 분포를볼수있다. Fig. 3.13.

9 Fig Input parameter 확인. 아이콘을누르면아래그림처럼 MMF 분포를볼수있다. Fig MMF 분포. 이상태에서 Main 화면의 toolbar 에서회전버튼 ( ) 을눌러서회전자가 회전할때의 MMF 분포를볼수있다

10 2.2 FEA (Finite Element Analysis) Output tab. 의 FEM 에서 FE (Finite Element) 해석을수행할수있다. FEA Exprs. 는 Tools-Options-FEM Options 에서설정한파라미터로곧바로해석이수행되고, FEA Custom 을누르면다음과같은창이뜬다. Fig FE 해석초기화면. FE 해석을수행하고나면, FEM 도구모음아이콘들이활성화된다. Fig FEM 아이콘활성화. 그후, Kt(Torque constant), Inductance, Loss 등의설계변수들이 update 되고

Flux density on line( 선간자속밀도 ), Flux density on arc( 호를따르는자속밀도 ), etc.

11 이것은 Output Para. 에서확인가능하다. 다음과같은 FEM 해석결과를확인할수있다 : Mesh( 요소분할 ), Equipotential line( 등전위선 ), Flux density( 자속밀도 ), Flux density on line( 선간자속밀도 ), Flux density on arc( 호를따르는자속밀도 ), etc. FE 해석을한후, 하나하나결과를확인해보자.. Mesh 버튼 ( ) 을누르면, 모터요소모양을볼수있다. Fig 요소모양. Equipotential Lines 버튼 ( ) 을누르면, 등전위선을볼수있다. Fig 등전위선. Flux Density 버튼 ( ) 을누르면, 자속밀도분포를볼수있다

x축방향성분값, y축방향성분값을확인할수있다. Fig. 3.19. 지정된점에서의자속밀도값.

12 Fig 자속밀도분포. Point 버튼 ( ) 을누르고모터형상내의한점을클릭하면, 클릭한점에서의 자속밀도의크기와 r방향성분값, θ 방향성분값, x축방향성분값, y축방향성분값을확인할수있다. Fig 지정된점에서의자속밀도값. Line 버튼 ( ) 을누르면, 지정된두점사이의직선을따르는자속밀도를볼 수있다. 두점사이의간격을 100등분하여 0이 Start Point, 100이 End Point가되도록하여보여준다. 두점을클릭한후 Ok버튼을누르면된다

Fig. 3.20. 두점을지정. Fig. 3.21. 두점사이의직선상의자속밀도분포.

13 Fig 두점을지정. Fig 두점사이의직선상의자속밀도분포. Arc버튼 ( ) 을누르면, 지정된점을중심으로하여지정된반지름, 시작각과끝각을따르는자속밀도를볼수있다. 두점사이의간격을 100등분하여 0이 Start Angle에해당하는점, 100이 Finish Angle에해당하는점이되도록하여보여준다. 한점을선택한후 ( 이점이호의중심이된다 ), 반지름, 시작각, 마침각을입력한후 Ok버튼을누르면된다. 반경방향과원주방향에대한그래프를각각볼수있다

14 Fig 중심과반지름, 시작각과끝각지정. Fig 두점사이의곡선상의자속밀도분포 - 반경방향과원주방향. Output tab. 의 FEM only에서 Flux distribution in Air Gap 버튼을누르면, 공극자속밀도를볼수있다. Fig 공극자속밀도

15 3. Input 모터의형상과특성을입력하는부분이다. 각각의버튼들은대화상자를갖고있으며사용자는그내용들을변경하여자신이원하는모터를만들어갈수있다. 대화상자가활성화된상태에서 Main Window 의어떠한작업도행할수가없다 ( 다른작업을하려면대화상자를닫아야한다 ). 그리고대화상자의변수명들에대한설명을보고자한다면대화상자가활성화된상태에서 F1(Help) key 를눌러서그대화상자에대한도움말을볼수있다. 각각의대화상자는그림이있고없음에따라서두개혹은세개의버튼을갖는다. Display window 가있는대화상자의경우 Ok, Apply, Cancel 3 개의버튼을갖고그렇지않은경우는 Ok, Cancel 두개의버튼을갖는다. Ok 는대화상자를종료함과동시에주어진입력을받아들여기존의변수값들을갱신하고, Apply 는새로운입력으로단순히그림을다시그리고, Cancel 은현재의값을무시하고기존의값을그대로유지함을의미한다. 3.1 Topology 결정 모터의기본사양인극수, 슬롯수를결정한다. 극수는짝수 (even number) 이어야하고, BLDC 의경우슬롯수는상수의정수배이어야한다. 상수는 3으로고정된다. Fig Motor Topology 결정

16 Topology 대화상자의입력변수들은모터의가장기본적인설계변수들이다. 따라서설계나해석을수행하기이전에가장먼저결정되어야한다. 특히모터의권선정보를저장하기위하여 는내부적으로동적인메모리할당을하게되고, 이값들은 Topology 대화상자의변수들인 Poles, Slots, Phases 등과매우밀접한관련을갖는다. 따라서만약입력변수를입력하는도중혹은입력이완료된후에 topology 대화상자의내용을변경하게되면권선정보를담고있는메모리영역이해제 (free) 되어사용자는다시권선정보를입력해야한다. 3.2 Stator design 다음으로 Stator 과 Rotor 의형상을디자인해야한다. 는대부분의 Stator/Rotor 형상을제공하고있지만, 차후필요할형상들에대비해서제공되지않는형상을 DXF(AutoCAD file) 로직접제작하여붙여볼수있기때문에유연성이매우좋다. Stator 의형상을디자인하기위해서는 Stator 버튼을선택하고, Rotor 의형상을디자인하기위해서는 Rotor 버튼을선택한다. Stator 버튼을누르면아래그림과같은창이나타난다. 각항목에대한설명은다음과같다

17 Fig Stator Window. 1) Type 설정버튼 2) 치수입력창 3) Tool 버튼 4) Display 창 5) Print 버튼 6) Copy to Clipboard 버튼 7) 마우스위치좌표 8) mode 정보 DXF Import 하면 DXF mode 로바뀐다 Type 설정버튼 Type 버튼을누르면아래그림과같이 Stator 의다른타입을설정하는창이나타난다. 이창에는 Slot 과 Tooth, groove 를선택할수있고, 이세가지는상호독립적으로선택되고각기선택된형상들로조합된다

Fig. 3.27. Stator Type Select window. 선택되어진슬롯은반전되어나타나며, Slot type 은총 6가지가있으며각각의형상은다음과같다. Table. 3.1. Slot type DXF 를 Import 했을때 가자동으로선택하게된다. 현재 Slot 의상태가 DXF 라는것을알려준다.

18 Fig Stator Type Select window. 선택되어진슬롯은반전되어나타나며, Slot type 은총 6가지가있으며각각의형상은다음과같다. Table Slot type DXF 를 Import 했을때 가자동으로선택하게된다. 현재 Slot 의상태가 DXF 라는것을알려준다. Tooth Width 가같고 Slot 이 Line 으로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는 slot round (sround), Slot Flat (sflat), Slot Depth (SD), Slot Open(SO)

Tooth Width 가같고 Slot 이 Arc 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 )

Slot 이 Line 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는 slot

가같고 Slot 이 Arc 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는

Line 으로이루어져있고, 구석이 Tooth 와직각을이루고있는형상 (Interior 만가능 ) 입력파라미터는 slot tooth flat

들과조합을이룬다. Tooth 는총 5개를가지고있으며, 각각의 Tooth 는다음과같다. Table. 3.2.

19 Tooth Width 가같고 Slot 이 Arc 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는 slot round (sround), Slot Depth (SD), Slot Open(SO) Slot Width 가같고 Slot 이 Line 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는 slot round (sround), Slot Flat (sflat), Slot Depth (SD), Slot Open(SO) Slot Width 가같고 Slot 이 Arc 로이루어져있고구석에 Round 처리를할수있는형상 (Exterior, Interior 가능 ) 입력파라미터는 slot round (sround), Slot Depth (SD), Slot Open(SO) Tooth Width 가같고 Slot 이 Line 으로이루어져있고, 구석이 Tooth 와직각을이루고있는형상 (Interior 만가능 ) 입력파라미터는 slot tooth flat (stoothflat), Slot Depth (SD), Slot Open(SO) Tooth 또한독립적으로선택되어위의각각의 Slot 들과조합을이룬다. Tooth 는총 5개를가지고있으며, 각각의 Tooth 는다음과같다. Table Tooth type DXF 를 Import 했을때 가자동으로선택하게된다. 현재 tooth 의상태가 DXF 라는것을알려준다. Tooth 의끝부분에아무것도없는형상. 입력값으로는 Tooth Width(Tw)

입력파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang over Arc (OuterCircle), Tooth tang depth (TGD) Tooth 의끝부분을원으로파는형상입력파라미터로는 Tooth

20 Tooth 의끝부분에각도를입력할수있는형상. 입력파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut angle (TGAng), Tooth tang depth (TGD) Tooth 의끝부분을원으로덧붙이는형상. 입력파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang over Arc (OuterCircle), Tooth tang depth (TGD) Tooth 의끝부분을원으로파는형상입력파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut Arc (InnerCircle), Tooth tang depth (TGD) Groove 또한독립적으로선택되어위의각각의 Tooth 들과조합을이룬다. Groove 는총 3개를가지고있으며, 각각의 Groove 는다음과같다 Table Groove type DXF 를 Import 했을때 가자동으로선택하게된다. 현재 tooth 의상태가 DXF 라는것을알려준다. Groove 가없는형상

21 사각형모양의 Groove 가있는형상. 추후원형 Groove 형상도지원할예정이다. 입력변수로는 GrN(Groove Number), GrH(Groove Height), GrW(Groove Width) 들이있다 치수입력창 type 을선택하면이제 Stator 에치수를입력해야한다. 각각의 Type 마다입력할수있는치수아이템은변경되고, 알맞은치수를입력하면된다. Table Stator 치수정보 RadS Stator 의외경 RadSI Stator 의내경 TW 치폭

22 SD 슬롯깊이 SO 슬롯오프닝 TGD Tooth Tang Depth TGAngle Tooth Tang Angle sround 슬롯모서리반경

SFlat 슬롯편평부분길이 GrH 홈의높이 GrW 홈의폭 GrTheta 0 3.2.

23 SFlat 슬롯편평부분길이 GrH 홈의높이 GrW 홈의폭 GrTheta Tool 버튼 Gr 의개수만큼지정해줄수있으며 0 도로지정하면기본적으로모든 Gr 이등간격으로설정되며, 이 GrTheta 값을조절하면등간격위치에서 degree 로 offset 양을줄수있다. DXF Export - 는 AutoCAD 파일로내보내거나가지고올수있다. Export 버튼은 AutoCAD 의 DXF 파일포맷으로만들어낸다. 는

24 Export 로만들어낸형상을 AutoCAD 로읽어들여편집작업이가능하도록한다. DXF Import - 현재지원되지않는형상을위해서 AutoCAD 의 DXF 파일을읽어들여작업할수있다. DXF 를 Import 하면 Slot 과 Tooth 의 type 이자동으로 DXF 로바뀌게되며, Import 후에는각치수들, 슬롯의영역중의한점과 Steel 의영역중의한점을수동으로설정해주어야한다. 또한이경우 에서슬롯영역을인식하지못하므로 Slot 과 Tooth 가만나는점끼리 Line 을그어주어야한다. DXF 를 Import 했을경우 Tool 메뉴에서 color 옵션은적용되지않는다. DXF Import 시에도저항계산등을위해 RadS, RadSI, TW 등의값을 DXF 와동일하게입력해준다. DXF Edit - EMFCAD 를호출해서 dxf 파일을편집할수있다. CAD 의 line 과 osnap 메뉴를이용해서옆그림처럼슬롯을막는직선을그려주어야한다 ( 두직선중아무것이나하나만그려주면된다 ). DXF Import, Export 에관한자세한설명은매뉴얼끝부분의 Appendix A. 를 EMFCAD 의사용법은 Appendix. E 를참조하기바란다. Scaling Stator 의크기를변경하고자할때 Interior 형태의모터일경우 Stator 의내경의크기만큼자동으로크기변환을한다.. Exterior 형태일경우 RadS 값을넣어주어최대외경의값을넣어주어야한다. 이기능은 DXF 를읽어온경우에는지원되지않는다. fix Airgap 공극의크기를유지하면서 Scaling 기능을사용할것인지, 유지하지않을것인지를체크한다

Slot Point0-슬롯의영역내부의임의의한점을오른쪽그림에서마우스좌표를읽어서대입해준다. Steel Point- Steel 의영역내부의임의의한점을오른쪽그림에서마우스좌표를읽어서대입해준다. 3.2.4 Display 창 슬롯이그려질윈도우창 3.2.5 Print 버튼 현재슬롯의모양을프린터로찍어내는버튼 3.

25 Slot Point0-슬롯의영역내부의임의의한점을오른쪽그림에서마우스좌표를읽어서대입해준다. Steel Point- Steel 의영역내부의임의의한점을오른쪽그림에서마우스좌표를읽어서대입해준다 Display 창 슬롯이그려질윈도우창 Print 버튼 현재슬롯의모양을프린터로찍어내는버튼 Copy to Clipboard 버튼 현재슬롯의모양을캡쳐해내는버튼 마우스위치좌표 현재마우스의위치를실제값으로보여주는부분 Mode 정보 현재 mode 가 type 인지 DXF 모드인지를알려준다

26 3.3 Rotor design Rotor 버튼을누르면아래그림과같은창이나타나게된다. Fig Rotor Window. Rotor Type 을지원하는것과치수입력부분을제외하면기본적인기능은 Stator 와동일하다. Rotor 의경우도 AutoCAD DXF 파일을 Import 할수있는데, 이경우에도수동으로치수를대입해주고자석영역중의한점, Steel 영역중의한점을지정해주어야한다 Type 설정버튼 Rotor 에서지원하는타입은 Table. 3.5 와같이 7가지이다. Table Rotor Type DXF 를 Import 했을때 가자동으로선택하게된다. 현재 Slot 의상태가 DXF 라는것을알려준다. Rotor core 의모양이원형인형상. 입력파라미터는 RadRI, RadRO, Rshaft, BetaM, Mflat, Mflat2, Offset, edgeh

Rotor core 의모양이직선인형상입력파라미터는 Rotor 의내경 (RadRI), Rotor 의외경 (RadRO), Shaft 의반지름 (Rshaft), 자석의각도 (BetaM), 자석의옆면길이 (Mflat), 직각으로자른자석옆면의길이 (Mflat2), 자석면의왜곡율을나타낸다.

필요한형상입력파라메터는자석두께 (Lm), 극호각 (BetaM) 이다 회전자안에직사각형자석이내장된형상입력파라미터는자석의두께 (Lm), 자석의각도 (BetaM), 자석의폭 (Mag width), 자석의깊이 (Mag depth), Q- 축방향으로극간의거리 (web) 등이다.

27 Rotor core 의모양이직선인형상입력파라미터는 Rotor 의내경 (RadRI), Rotor 의외경 (RadRO), Shaft 의반지름 (Rshaft), 자석의각도 (BetaM), 자석의옆면길이 (Mflat), 직각으로자른자석옆면의길이 (Mflat2), 자석면의왜곡율을나타낸다.(Offset), Rotor 돌출부의길이 (edgeh) 부채꼴모양의세그먼트자석형상을가진회전자이며자석을회전자코어표면에부착한표면부착형으로서영구자석은반경방향으로착자되어있는비돌극형회전자이다. 필요한형상입력파라메터는자석두께 (Lm), 극호각 (BetaM) 이다 회전자안에직사각형자석이내장된형상입력파라미터는자석의두께 (Lm), 자석의각도 (BetaM), 자석의폭 (Mag width), 자석의깊이 (Mag depth), Q- 축방향으로극간의거리 (web) 등이다. 회전자안에직사각형자석이내장된형상입력파라미터는자석의두께 (Mag width), 회전자오프닝 (RO), 자석의깊이 (Mag depth), 자석의폭 (Lm) 등이다. 자석의형상이링형인형상입력파라미터는 RadRO, RadRI, AirGap, Rshaft, Lm 등이다. MagDIR 에서착자에대한정보를추가로주어야한다 MagDIR 링형자석의경우착자에관한정보를추가로주어야한다. 자석의 Row 와 Column 수를정하고, 각부분에대해 Full 착자의경우를 1로해서 (m) 으로표현된컬럼에착자의세기를입력하여준다. (l) 컬럼에는 Radial 방향을기준으로착자되는기준각도를 CCW 를 (+) 로해서설정해준다. 아래에각도에관한예제가있다

Fig. 3.29. MagDIR Dialog. A1 B2 A2 A3 파란부분이자석이며 3 부분으로분할착자한다. B1 B3 A1, A2, A3 의각도 : 0` B1, B2 의각도 : 90` B3 의각도 : -90` 3.3.3 Region DXF file 을 Import 했을경우다중의 Region 이설정가능하다.

28 Fig MagDIR Dialog. A1 B2 A2 A3 파란부분이자석이며 3 부분으로분할착자한다. B1 B3 A1, A2, A3 의각도 : 0` B1, B2 의각도 : 90` B3 의각도 : -90` Region DXF file 을 Import 했을경우다중의 Region 이설정가능하다. 즉여러개의조각으로이루어진자석이나, 철영역의인식이가능하다. 자석에대해서는위의 MagDIR 처럼좌표와 (m) 과 ( ) 에대해서, 철에대해서는좌표만입력해주면된다. 여기서착자방향설정의기준각도는일반 xy 직각좌표계이다

Fig. 3.30. Rotor Region Dialog. 3.3.4 치수입력창 (SPM type) Table.

29 Fig Rotor Region Dialog 치수입력창 (SPM type) Table Rotor Input Grid (SPM type). RadRO Rotor 의외경

30 RadRI Rotor 의내경 Rshaft Shaft 의반지름 BetaM 자석의각도 Mflat 자석의옆면길이 Mflat2 직각으로자른자석옆면의길이

31 Moffcent 자석면의왜곡율을나타낸다. EdgeH Rotor 돌출부의길이 치수입력창 (Radial type) Table Rotor Input Grid (Radial type) RadRO 회전자외경 RadRI 회전자내경 AirGap 공극의길이

32 Lm 자석의반경방향두께 MoffCent 자석면의왜곡율을나타낸다 BetaM 자석의각도 edgeh Rotor 돌출부의길이 치수입력창 (IPM type1) Table Rotor Input Grid (IPM type1). RadRO 회전자외경

33 AirGap 공극길이 Rshaft 축반경 Map Depth 회전자표면으로부터자석까지의깊이 Map Width 자석의폭 Lm 자석의반경방향두께 BetaM 자석의각도 BridgeR Pole piece 의곡률반지름

34 Bridge 자극편단에서브리지의반경두께 Web q- 축방향의쐐기폭 치수입력창 (IPM type2) Table Rotor Input Grid (IPM type2). RadRO 회전자외경 Rshaft 축반경 Map Depth 회전자표면으로부터자석까지의깊이

35 Map Width 자석의반경방향두께 Lm 자석의폭 RO 회전자개구폭 3.4 Side 설계 축에관련된주요치수를변경할수있다. Fig Side window

36 MOH Magnet OverHang 의약자이며자석이 Stator Core 적층부분밖으로돌출된길이 [mm]. 적층양쪽으로 MOH 만큼씩자석이돌출된다. Lend1 고정자코어적층을기준으로회전자코어적층의왼쪽끝단돌출길이 [mm]. Lend2 고정자코어적층을기준으로회전자코어적층의오른쪽끝단돌출길이 [mm]. LoffM 왼쪽으로자석중심이회전자적층코어의중심에서벗어난길이. [mm] Lstk L_stack 의약자이며, 고정자적층코어의축방향길이. [mm] Skew[slot] Skew 는사구를준슬롯수로표시한다. 사구를줌으로써코깅토크의감소효과를볼수있다. 예를들면한슬롯만큼 skew 를준경우는 skew = 1 이며, 반슬롯만큼 skew 를준경우는 skew = 0.5 를입력한다. 기본설정값은 0 이다. Slot skew 와 magnet skew 두가지중에서선택한다. 맨밑의 Shaft & Bearing 버튼을클릭하면 shaft 의세부형상을디자인할수있는입력창이열린다. 이부분에서입력된데이터들은 shaft 의무게나관성 (inertia) 을계산하는데사용되어진다

37 Fig Shaft design. BrgDens Bearing 의질량밀도. [g/cm^3]. BFT Bearing 의마찰계수 Inner Dia Shaft 의좌 / 우측에있는베어링의내륜의내경.[mm] Outer Dia Shaft 의좌 / 우측에있는베어링의내륜의외경.[mm] Length Shaft 의좌 / 우측에있는베어링의축방향길이이다.[mm] ShDens shaft 의질량밀도를나타낸다. 단위는 [g/cm^3] 으로 S45C 의경우약 7.8 정

38 도이다. No. of Layer Shaft 단의개수를나타낸다. 사용자가 7 을선택하면 7 개의행이나타나고사용자는각행의값들 ( 직경과길이 ) 을모두입력해야만한다. 1 번이오른쪽축형상의맨왼쪽부분에해당한다. Center Layer 축의중심이몇번째단인지설정해준다. Lshaft 는자동적으로모든단의 Length 를합하여계산된다. 이대화상자는모터축의관성을정확하게구하기위한것이다. 따라서기계적인특성에특별한관심을갖지않은사용자라면이부분은생략해도된다. 물론 Bearing 의마찰손이모터의무부하전류에직접적인영향을준다. 왼쪽과오른쪽의 bearing은 shaft 의어느한단에놓여질것이다. 따라서 left bearing의내경은 Shaft 왼쪽단의지름중에어느하나와일치해야하고축방향길이도그단의길이보다길수없다. 우측베어링에도동일하게적용된다. 3.5 Winding 결정 권선은모터에있어서매우중요한요소이다. 따라서항목하나하나를신중히설계해야한다. 만약권선의 layout 이정확하지않으면다른어떠한해석도할수없기때문에 topology 을결정한후에가장먼저입력해야할부분이다. 해석중간중간에 Empty Winding 이라는 Warning 메시지가나타나는것은권선의정보를저장하는메모리영역이삭제되었기때문이다 ( III.3.1, Topology 결정참조 )

39 Fig Winding window. 권선의주요사항을변경할수있다. 권선방식은 6 종류가있으며그중하나를선택할수있다. 권선방식의종류는다음과같다 Concentric winding 극당, 상당슬롯수가 1 이며코일당턴수가동일하도록권선하는방법을집중권선법이라한다. 집중권선법으로코일을감으면일반적으로속도전압 (Back EMF) 이구형파형이된다. 권선층권으로는단층권또는이층권을선택할수있다. 단층권을선택한경우총코일수는슬롯수의절반이며이층권인경우총코일수는슬롯수와동일하다 Tooth Concentric winding 극당, 상당슬롯수가 1 보다작은경우에해당된다. 이것또한집중권선이라불리우지만 Tooth 에감기는것을강조하기위하여별도로분류하였다. SRM 권선과유사하지만 SRM 이이극성인대신동극성 ( 한상의이웃하는코일이동일한방향 ) 으로감긴다. 대부분이층권을사용하며구조가간단하고권선이쉽기때문에소형기에서많이사용된다

40 3.5.3 Sine winding with equal turns/coil 극당, 상당슬롯수가정수 (Q_Slots) 이며극당, 상당코일군수를 Q_Slots 개수만큼코일군을체인모양으로감는권선방법을동심권선법이라한다. 동심권선법에서는코일당턴수는같다고가정한다. 일반적으로속도전압 (Back-EMF) 이정현파형을필요로하는경우에많이사용된다. 권선층권으로는단층권만가능하다. 극당, 상당슬롯수 (Q_Slots) = 슬롯수 /( 극수 상수 ) Integral-slot lap winding 극당슬롯수 ( 극피치 ) 가정수이며극당, 상당슬롯수 (Q_Slots) 가 2 이상인정수가되도록중권으로감는권선방법을정수슬롯중권법이라고한다. 정수슬롯중권법에서는극당, 상당코일수가정수이어야만하며극당, 상당코일군수가 Q_Coils 갯수가되도록한다. 정수슬롯중권법에서는단층권, 이층권이가능하다. 극당, 상당코일수 (Q_Coils) = 코일수 /( 극수 상수 ) Fractional-slot winding 극당슬롯수가분수인권선을분수슬롯권선법이라한다. 분수슬롯권선법에서는이층권만이가능하다 User winding 사용자권선법에서는총코일수, 층권, 코일당턴수, 코일피치 (Throw) 를자유롭게선정할수있으며또한권선편집이가능하다. 1 상에대해서만편집가능하며, 나머지상은 1상과동일하다고가정한다 Wire Wire Dia - Bare Wire 의직경, Sel 버튼을누르면 wire 의종류와직경을변경할수있다. Wire DB 의수정, 편집은 VI.2 의 MDBman 을참조하기바란다

Fig. 3.34. Wire dialog. Kind- Wire 의규격을선택할수있다. BareDia-Wire 의 diameter 를선택할수있다. InsThick Wire 의절연피막두께의평균값이다. 3.5.

41 Fig Wire dialog. Kind- Wire 의규격을선택할수있다. BareDia-Wire 의 diameter 를선택할수있다. InsThick Wire 의절연피막두께의평균값이다 Other spec Winding Form 지그를사용한권선은 Jig winding, 직접 tooth 에하는권선은 Direct tooth winding 을선택한다. layer-슬롯내의권선층수 Throw-코일피치, Coil-Span Offset-1 상의출발 slot 과 2상의출발 slot 의 offset. TC(turns per coil)-코일당턴수 PATHS- 각상권선의병렬회로수 Wye- Y 형결선. Delta- 형결선. Drawing Option- 각상에맞는 winding 을보여준다. All-phases 를선택하면아래그림과같다. All-phases 체크박스오른쪽의입력상자에는화면에나타내기를원하는상을직접입력할수있다. & 기호를쓸수있으며예를들어 1상을보고싶으면 1, 1 상과 2 상을보고싶으면 1&2, 모두보고싶으면 All-phases 를체크하던가 1&2&3 을입력하면된다

된전류파형을보여준다. 일례로 square(dc) waveform 과 delta 결선에서의전류파형은다음과같다. 3.

42 Fig 모든상에서의 winding. View phase current 주어진결선방식과 control 에서의 current waveform 에따라 normalized 된전류파형을보여준다. 일례로 square(dc) waveform 과 delta 결선에서의전류파형은다음과같다. 3.6 Material design 모터에서사용되는재질에대한데이터베이스대화상자로서고정자와회전자의철심재질, 자석재질을선택할수있다. 데어터베이스의편집을위해서는메인매뉴의 Tool 메뉴에서 MDBMan 를선택하면된다. ( 데이터베이스에대한내용, 수정및추가는 VI.2 의 MDBman 참조 )

43 Fig Material window Stator, Rotor steel 회전자 (rotor) 와고정자 (stator) 의철재질을각각선택한다. 고정자의철심재질로는일반적으로실리콘전기강판을사용하며회전자철심재질은연강판, 연강, 주강등을사용한다. Fig Steel material window. 철심의밀도, 실리콘전기강판의두께및점적율등을결정한다. BH 버튼을누르면, 철심재질에대한자기적특성 (B-H 특성곡선의데이터 )

곡선을보여준다. Fig. 3.38. B-H 곡선. Thickness-0.35, 0.5, 0.65[mm] Kind-CAST STEEL, M##, RM##, etc. Stack_factor-Real volume and space factor for iron when steel plate is laid.

44 곡선을보여준다. Fig B-H 곡선. Thickness-0.35, 0.5, 0.65[mm] Kind-CAST STEEL, M##, RM##, etc. Stack_factor-Real volume and space factor for iron when steel plate is laid. Sigmh-Hysteresis coefficient of the armature Yoke. Sigme-Eddy current coefficient of the armature Yoke. Sigmah-Hysteresis coefficient of the armature Tooth. Sigmae- Eddy current coefficient of the armature Tooth Magnet 자석재질에대한종류로서는페라이트, 알니코, 네오디뮴, 사마륨코발트자석이데이터베이스화되어있다. 먼저 magnet 의종류를선택한다음, 회사별제품명을선택한다. 단위계의선택에따라 CGS 또는 MKS 단위로볼수있다. ( MKS 의단위는 Tesla, A/m, kg, m 등이고, CGS 는 Gauss, Oe, g, cm 이다. 1Oe=79.58A/m, 1A/m= Oe, 1Tesla=10,000 Gauss, 현재는 CGS 로볼수있다.)

Fig. 3.39. Magnet material window. Br-잔류자속밀도 [Gauss] 자석의감자곡선의 B 축에서진보자력이 0 인점의자속밀도를잔류자속밀도라한다. jhc-진보자력 [Oe] 자석의감자곡선의 H 축에서잔류자속밀도가 0 인점의보자력을진보자력이라한다. Bhmax-최대에너지적 [MGOe] 모터의자기에너지는자속과자기력의곱에비례한다.

45 Fig Magnet material window. Br-잔류자속밀도 [Gauss] 자석의감자곡선의 B 축에서진보자력이 0 인점의자속밀도를잔류자속밀도라한다. jhc-진보자력 [Oe] 자석의감자곡선의 H 축에서잔류자속밀도가 0 인점의보자력을진보자력이라한다. Bhmax-최대에너지적 [MGOe] 모터의자기에너지는자속과자기력의곱에비례한다. 자석에서외부의공극에공급되는자속및기자력은각각자석내의자속밀도와감자계에의존한다. 따라서자기에너지는이러한것의곱 BH 에의존하게된다. 공극에축적된에너지는자석의자속밀도 B와감자계 H와의곱인 BH 에정비례한다. BH 는자석동작점에따라변하지만어떤동작점인곳에서최대가된다. 이것을최대에너지적이라한다. 3 Density-자석의밀도 [g/ cm ] Unit-CGS 단위계 (Gauss, Oe, g, cm) MuRec-자석의리코일투자율 TC_Br -잔류자속밀도의온도계수 [%/ ] 자석의잔류자속밀도는자석의온도에의존한다. 대개는음의값을갖는다. 이는잔류자속밀도가온도에의존하여변화함을의미한다

46 TC_Hc -진보자력의온도계수 [%/ ] 자속의진보자력은자석의온도에반비례한다. Ferrite 는양수값, Nd 계열은음수값을일반적으로갖게되는데, 이런이유로 Ferrite 는저온불가역감자현상이, Nd 계열은고온불가역감자현상이발생한다. 3.7 Etc design 온도에따른상수값과보정계수등을입력한다. Fig Etc window. WTemp 권선의온도. [deg. C] 권선의저항을계산할때사용되어진다. 에서는현재열해석을수행할수없기때문에사용자의경험또는실험에의해권선의온도를입력해야한다. MTemp 자석의동작점온도. [deg. C] 이값에의해해석에사용되는자석의 Br 값이결정된다. 즉 material 대화상

47 자에표시되는값은상온 (20 도 ) 에서의 Br 을의미한다. 예를들어 SUMITOMO 사의 NEOMAX-35SH 의경우상온에서 Br 이 11950[G] 이지만 MTemp 가 60 일때 Br 은 11424[G] 이다. (TC_Br= -0.11[%/ ] 이므로다음과같이계산가능하다. 60 에서의 Br= *(60-20)*11950*0.01= ) MTempL 자석의저온온도. [deg. C] DegCW 회전자 ( 전기자 ) 의열저항. [deg. C] XFe 철손조정계수. [ 기본값은 1] Xet 코일엔드길이조정계수, Xet 1 [ 기본값은 1.3] XL 인덕턴스조정계수. [ 기본값은 1] XMoh 자석오버행조정계수, 0 XMoh 1 [ 기본값은 1] XYoh 요크오버행조정계수, 0 XYoh 1 [ 기본값은 1] Liner 슬롯절연지혹은절연필름의두께 [ 기본값은 0.5] MWF 속도에따른기계적풍손변화조정지수계수 [ 기본값은 1.5] 3.8 Control design III.1 에서언급했듯이 의 BLDC 모듈은정현파구동과구현파구동이가능하다. 전류구동방식에따라 의출력등의내부계산알고리즘이달라진다. 모터회전수 (rpm), 정격전류, 한계전류값, 공급전압, 권선의연결 (Connection) 등을설정한다

Fig. 3.41. Control window. Current Waveform 구동방식에따라결정 는입력전원을전류소스로가정한다.

48 Fig Control window. Current Waveform 구동방식에따라결정 는입력전원을전류소스로가정한다. 이때구형파모양의전류 (Square) 를가정할것인지, 이상적인정현파 (Sinusoidal) 를가정할것인지를결정 Input RPM 분당회전수 (Revolution per Minute) Torque Angle 전류의위상과역기전력위상간의위상차. 약계자제어와연관이있는값이다. I_line[peak] 최고값의선간전류치 (Square 구동시 ) I_line[rms] 선간전류의 rms 치 (sinusoical 구동시 ) Vs-공급전압 (Supply Voltage). I(limit) 전류최대치 MaxDuCy 최대듀티사이클. 전압제어형 PWM 방식을선택한경우에만사용된다 (0.1~1.0). 이값과 Vs 의곱이실제드라이버가공급할수있는최대전압

49 값이된다. 듀티사이클 (DuCy) = 스위칭 ON 시간 / 스위칭주기 Commutating Sequence-드라이버에서의정류순서, CCW( 시계반대방향 ), CW( 시계방향 ). 일반적으로 BLDC 모터는공간적인권선의배치와시간적인전류의통전순서를일치시켜주어야한다. 예를들어 3상모터의경우반시계방향으로 u, v, w 의순서로 120 도의위상차를갖으면전류역시 u, v, w 의순서로통전되고이때각각의위상차도 120 도이어야모터가반시계방향으로회전한다. 는구동부에대한별도의입력사항이없고모터는항시반시계방향으로회전하는것을기본으로하고있다. 따라서사용자가 u, v, w 의순서로권선을했다면 Direction 을 CCW 로해주어야하고, 그렇지않다면 CW 로해주어야한다. CW 인경우 TorqueRipple Profile 은 Torque 가 (-) 로나타난다

4. FEA WIZARD 4.1 FEA Custom. Fig. 3.42. FEA Custom Dialog. 4.1.1 Parameters Lumped Output Parameters 의 3 개의인자와 Extra Parameters 의 2 개의인자는 Tools/FEM Options 에서미리정해놓을수있다.

50 4. FEA WIZARD 4.1 FEA Custom. Fig FEA Custom Dialog Parameters Lumped Output Parameters 의 3 개의인자와 Extra Parameters 의 2 개의인자는 Tools/FEM Options 에서미리정해놓을수있다. 이중에서 Theta0 는 Inductance 나 Torque Ripple & BackEmf 를선택하면자동으로선택되며, 해제불가능하다 Options Fraction 극수와슬롯수로부터 Fraction 의최대값이계산되고, 1 부터그수의약수까지의값을선택할수있다. FEM 해석시실제로 1/Fraction 만큼이모델링

51 되어해석된다. Mesh Density Mesh Density 의기본값인 30 에대해보정상수를넣는곳이다. More Gap Density 계산된 Gap Segment 에사용자가보정상수를더곱할수있다. Rotational resolution Rotor 를회전시키면서해석할때, 사용되는회전개수의값이다. 기본값은 12 또는이에가장가까운큰값이설정되어있다

5. Output Analysis 기본적으로 Output Report 는크게 2 부분으로구성된다. Common 입력변수들을확인할수있다. 이는 5.1 절에서자세하게설명한다. FEM FE 해석과결과확인등으로구성되어있다. FEA Exprs. (Express) Tools/FEM Options 에설정되어있는 Parameters 에대해바로해석이수행된다.

52 5. Output Analysis 기본적으로 Output Report 는크게 2 부분으로구성된다. Common 입력변수들을확인할수있다. 이는 5.1 절에서자세하게설명한다. FEM FE 해석과결과확인등으로구성되어있다. FEA Exprs. (Express) Tools/FEM Options 에설정되어있는 Parameters 에대해바로해석이수행된다. 한번수행후에는 Custom 모드로서만이재해석수행이가능하다. FEA Custom 해석할인자들, 해석옵션에대해상세히설정할수있다. 이는 4장에서이미자세히설명하였다. Output Para. - FE 해석후의출력변수들을확인할수있다. FEM Profile FE 해석후각종커브등을볼수있다. 이는 5.5 절에서자세하게설명한다. 5.1 입력변수확인 모든입력이끝나면 Output tab. 내의 Common-Input. Para. 에서입력한설계변수들을확인할수있다

53 Fig Input parameters. 5.2 출력변수확인 v2.60 부터는 MEC-Output parameters 에대해서지원하지않습니다. 5.3 특성곡선 Char. Curve 에서는모터의특성곡선을볼수있다.( 버그수정후지원할예정입니다.)

54 Fig Characteristic Curve Dialog. Vt-단자전압 Rphr- 온도보정한권선저항 (Winding Resistance) KT 와 ke-토크상수와선간역기전력상수 Istart 최대전류 It 단자전류 No 무부하속도 Io-무부하전류 X 축을전류로, y 축을토크, 속도, 파워, 효율로했을때의특성곡선을아래와같다

55 Fig Characteristic Curve 5.4 FEM 출력변수확인 Output tab 내의 FEM-Output Para. 에서 FEM 해석결과들을볼수있다. FEM 해석전에도창은뜨지만대부분의값들이 N/A(Not Available) 상태다. 해석후의미있는값들로변경된다. Fig FEM Output Para. 의 FEA 해석전후의모습

56 5.5 FEM Profile(Output tab.) 에서의결과보기 FEM 에서 FEM Profile 를누르면 FEM Profile 이라는창이뜬다. Fig FEM output. Flux distribution in Air Gap view버튼을누르면, 공극자속밀도분포의한주기 (one period) 분을보여준다. Field 분포가계산되므로철의요철구조로인한자속밀도의변화를관찰할수가있다

57 Fig Flux density in airgap. CoggingTorque view 버튼을누르면코깅토오크를보여준다. 회전자를회전시키면서해석하고각기계적인회전각에서의토오크를계산하여한주기에서의분포값을보여주는것이다. 아래그림은 default.bldc 파일을 Cogging torque 에대해 Custom 으로 Gapseg 와 Mesh density 를조금높여서푼결과를보여주며, Cogging Torque 의한주기각은슬롯갯수와극수의최소공배수값을구하여, 360 를이값으로나누어주면된다. Cogging Torque 가비교적큰모델일경우는쉽게 ( 작은수의 mesh) 계산되지만그렇지않은경우황당한결과가나온다. 간혹주기성을보이지않는다든지, 한쪽으로 (+,-) 값이치우치는경우수치적인문제로인해계산이잘못된것이다. 이때는점진적으로 mesh 의수 ( mesh density 와 gap-seg) 를증가시켜서다시계산하면된다. Cogging 의값이실제전류의 Torque 에비해현저히작을경우 (1% 이내 ) 에도컴퓨터의수치적인오차로인해거칠게나올수있다

58 Fig Cogging torque profile. Torque Ripple view 버튼을누르면 Torque 의변동값을보여준다. 기본적으로이결과는전기적으로한주기동안의 torque ripple 이다. 값들의분포가 (+) 와 (-) 를교차하면잘못된결과이거나, 전류값이너무작아 Cogging 토크가지배적인값이되는경우이다. Fig Torque Ripple. Flux-Linkage view 버튼을누르면자속쇄교 ( 鎖交 ) 값을보여준다

59 Fig Flux linkage. Back Emf view 버튼을누르면회전자의위치에따른역기전압의변화를보여준다. Fig BackEMF. 5.6 FEM 도구모음에서의결과보기 FEM 해석이끝나면 FEM 도구모음이활성화된다

60 Fig FEM toolbar. FEM 결과들로다음과같은것들을확인할수있다. 상세한결과들은 2 장의 Tutorial BLDC 를참조하기바란다. Mesh Equipotential line Flux density Flux along line Flux along arc Mesh 버튼 ( ) 을누르면, mesh 가생성된모양을볼수있다. Equipotential Lines 버튼 ( ) 을누르면, 등전위선자속흐름을볼수있다.. Flux Density 버튼 ( ) 을누르면, 자속밀도를볼수있다. Point 버튼 ( ) 을누른후, 한점을클릭하면그점에서의자속밀도의크기와 r 방향성분값, θ 방향성분값, x 축방향성분값, y 축방향성분값을확인할수있다. Line 버튼 ( ) 을누르면, 지정된두점사이의직선을따르는자속밀도를볼 수있다. Arc 버튼 ( ) 을누르면, 지정된점을중심으로하여지정된반지름, 시작각과 끝각을따르는자속밀도를볼수있다

Microsoft PowerPoint 상 교류 회로

Microsoft PowerPoint 상 교류 회로 3상교류회로 11.1. 3 상교류의발생 평등자계중에놓인회전자철심에기계적으로 120 씩차이가나게감은코일 aa, bb,cc 를배치하고각속도의속도로회전하면각코일의양단에는다음식으로표현되는기전력이발생하게된다. 11.1. 3 상교류의발생 여기서 e a, e b, e c 는각각코일aa, bb, cc 양단에서얻어지는전압의순시치식이며, 각각을상 (phase) 이라한다. 이와같이전압의크기는같고위상이