KR101603662B1

KR101603662B1 - Bldc 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법

Info

Publication number: KR101603662B1
Application number: KR1020150083629A
Authority: KR
Inventors: 김보경; 송명준; 전완재; 민경진; 이상률; 니구치 노보루; 심요섭
Original assignee: (주)모토닉
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-03-16

Abstract

본 발명은 코어(10) 상에 마그넷(20)을 지닌 BLDC 모터의 토크리플을 저감하는 방법에 있어서: (a) 상기 마그넷(20)의 양측으로 대칭형(31)의 에어갭(30)을 형성하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 에어갭(30)을 대칭형(31)에서 비대칭형(32)으로 변경하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계; 및 (c) 상기 비대칭형(32)의 에어갭(30)의 형상을 변경하면서 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, IPM 타입 BLDC 모터에서 자석 삽입부의 공극을 조절하는 방식으로 토크의 변동폭을 최적의 범위로 축소하도록 설계변수를 결정하여 성능을 향상하는 효과가 있다.

Description

BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법{Method for reducing torque ripple of half magnet type BLDC motor}

본 발명은 BLDC 모터의 토크리플 저감방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 IPM 방식에서 자석 삽입부의 공극을 조절하여 토크의 변동폭을 축소하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법에 관한 것이다.

BLDC 모터의 특성에 영향을 주는 설계변수는 많으나 자석을 탑재한 회전축의 외경, 마그넷의 물성, 공극의 크기, 고정자의 외경 등이 중요하다. 이러한 설계변수가 부조화되면 불균형 자기력 등에 의한 토크리플을 유발한다. 토크리플은 모터의 소음 및 진동과 직결되므로 개선이 필요한 사항이다. 근래에 IPM 타입의 BLDC 모터에서 원가절감을 위해 마그넷의 수량을 줄이기도 하는데, 이 경우 성능적인 측면에서 동일성은 유지되나 토크리플이 비교적 커지는 경향이 있다.

토크리플 해소와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0296303호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0878565호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 전류상승시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이고, 전류하강시 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류시 발생하는 토크리플을 저감함을 요지로 한다. 이에, 모터의 토크리플을 저감시켜 진동/소음을 저감하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 고정자 극편의 중앙부에 형성된 계단 형상의 턱을 기준으로 일측의 최소 공극과 타측의 최대 공극에 상기 계단 형상의 턱 높이에 해당하는 차동 공극만큼의 차이를 두고, 상기 최소 공극을 형성하는 고정자 극편의 일측 선단에 경사면을 형성하여 상기 경사면이 상기 회전자의 영구자석 사이에 상기 최대 공극을 형성함을 요지로 한다. 이에, 모터를 용이하게 제작하면서 코깅 토크를 상대적으로 줄이는 효과를 기대한다.

그러나, 선행문헌 1은 스위칭 제어의 소프트웨어적 방식으로 한정되고 선행문헌 2는 코깅 토크의 저감에 한정되므로 토크리플을 최적의 범위로 축소하는 설계변수를 도출하기에 미흡하다.

1. 한국 등록특허공보 제0296303호 "비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법" (공개일자 : 2000.08.05.) 2. 한국 등록특허공보 제0878565호 "무브러시 직류 모터의 코깅 토크 저감 장치" (공개일자 : 2009.01.15.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, IPM 방식의 BLDC 모터에서 자석 삽입부의 공극을 조절하여 토크의 변동폭을 최적의 범위로 축소하도록 설계변수를 결정하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 코어 상에 마그넷을 지닌 BLDC 모터의 토크리플을 저감하는 방법에 있어서: (a) 상기 마그넷의 양측으로 대칭형의 에어갭을 형성하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계; (b) 상기 에어갭을 대칭형에서 비대칭형으로 변경하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계; 및 (c) 상기 비대칭형의 에어갭의 형상을 변경하면서 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 설정된 극수(N)에 대응하여 N/2개의 마그넷을 배치한 하프마그넷 타입으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a) 내지 (c)에서 획득되는 성능 데이터는 정격속도와 정력전류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 에어갭의 각진 부분을 라운딩하여 곡면으로 변경하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (c)는 코어의 외주면에서 대칭적 위치에 다수의 노치부를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, IPM 타입 BLDC 모터에서 자석 삽입부의 공극을 조절하는 방식으로 토크의 변동폭을 최적의 범위로 축소하도록 설계변수를 결정하여 성능을 향상하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 BLDC 모터의 회전자 코어를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 공극을 대비하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 회전자 코어를 나타내는 구성도
도 4는 에어갭의 대칭과 비대칭 구조를 설명하기 위한 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 코어(10) 상에 마그넷(20)을 지닌 BLDC 모터의 토크리플을 저감하는 방법에 관련된다. 마그넷(20)은 희토류 원소 중에서 네오디뮴(Nd) 영구자석을 사용할 수 있다. 코어(10)는 회전자를 이루는 부분이고 고정자의 내부에서 회전축 상에 결합된다. 코어(10)에 마그넷(20)을 매립한 IPM(Interior permanent magnet) 타입의 BLDC 모터를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. IPM 타입은 SPM(Surface Mounted Permanent magnet) 타입에 비하여 코깅토크와 토크리플이 커서 진동ㆍ소음에 의한 성능저하가 유발된다.

통상 BLDC 모터의 성능에 영향을 주는 인자가 다양하지만 본 발명은 공극(Air Gap)을 주요 설계변수로 설정한다. 물론 이외에 회전축의 외경, 고정자의 외경 등 설계변수도 반영된다. 본 발명의 후술하는 주요 단계 (a) 내지 (c)는 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 진행되고 모델을 기반으로 한 모형을 제작하여 성능에 대한 검증을 거친다.

본 발명의 단계 (a)는 상기 마그넷(20)의 양측으로 대칭형(31)의 에어갭(30)을 형성하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 과정으로 진행된다. 도 2에서 마그넷(20)의 양측으로 대략 삼각형 공극의 에어갭(30)을 형성하며, 이때의 에어갭(30)은 반경 방향의 축을 기준으로 대칭형(31)을 이룬다. 단계 (a)의 데이터는 토크리플 측면에서 가장 불리한 성능의 기준으로 삼을 수 있다.

한편, 영구자석이 회전자 내부에 삽입되는 IPM 타입의 BLDC 모터에 있어 에어갭(30)의 대칭 기준은 d축으로 삼을 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a)는 설정된 극수(N)에 대응하여 N/2개의 마그넷(20)을 배치한 하프마그넷 타입으로 설정하는 것을 특징으로 한다. 도 1은 풀마그넷 타입의 BLDC 모터로서 이와 같은 에어갭(30)을 두지 않거나 대칭형(31)의 에어갭(30)을 두기도 한다. 8극 BLDC 모터 경우 풀마그넷 타입은 코어(10)에 8개의 마그넷(20)을 배치하고 하프마그넷 타입은 4개의 마그넷(20)을 배치한 것으로 예시될 수 있다. 이 경우 마그넷(20)의 수량이 축소되어 원가절감에 유리하나 토크리플이 커지므로 설계변수 변경을 통한 보완을 요한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (a) 내지 (c)에서 획득되는 성능 데이터는 정격속도와 정력전류를 포함하는 것을 특징으로 한다. 정격속도와 정격전류는 해당 BLDC 모터의 제원에 부합하도록 설정된 소정의 알고리즘을 이용하여 산출된다. 단계 (a) 내지 (c)에서 정격부하, 정격속도, 정력전류는 토크리플을 산출하는 데이터로 활용된다.

본 발명의 단계 (b)는 상기 에어갭(30)을 대칭형(31)에서 비대칭형(32)으로 변경하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 과정으로 진행된다. 도 2의 No.1의 대칭형(31)과 달리 도 2의 No.2와 같이 마그넷(20)의 삽입부에 비대칭형(32)의 에어갭(30)을 둔다. 도 3에서 비대칭형(32)의 다른 형태가 예시된다. 이러한 에어갭(30)을 조절하면 이웃한 철심에 흐르는 마그넷(20)의 자속량이나 자속의 방향이 바뀌면서 토크리플이 저감되는 효과를 낸다. 다만, 토크리플만 고려하여 최소화하기 위한 설계를 하게 되면 모터의 성능이 떨어질 수 있으므로 토크리플을 최소화하면서 모터의 성능은 유지하는 최적화 설계가 필요하다.

이때, 도 4를 참조하면 코어(10)의 철심폭과 마그넷(20)의 폭을 대비하여 나타낸다. 도 4(a)는 자석폭과 철심폭이 동일하여 대칭형(31) 에어갭(30)이 형성된 상태이고, 도 4(b)는 자석폭과 철심폭이 상이하여 비대칭형(32) 에어갭(30)이 형성된 상태이다. 부호 A로 표시한 선을 기준으로 하여도 대칭형(31)과 비대칭형(32)의 구분이 명확하다.

본 발명의 단계 (c)는 상기 비대칭형(32)의 에어갭(30)의 형상을 변경하면서 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 과정으로 진행된다. 에어갭(30)의 기본적인 형상은 유지하면서 부분적인 치수 변화에 의한 토크리플을 산출한다. 공극의 형상이나 크기는 다양하며 각 모터에서 최적의 성능대비 토크리플 최소화를 위해 해석을 실시한 후 모터를 제작한다. 물론 실제 모터에 있어서 회전자의 진동으로 인하여 공극의 크기 변화되면 인덕턴스가 변동하므로 마그넷(20)의 유동이 엄격하게 구속되도록 구성한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (c)는 에어갭(30)의 각진 부분을 라운딩하여 곡면으로 변경하는 것을 특징으로 한다. 도 2의 No.2는 공극의 저면에 각진 V형부(34)를 형성한 예이고 No.3은 공극의 저면에 곡면의 U형부(36)를 형성한 예이다. 도 2를 참조하면 No.1 내지 No.3과 같이 코어(10)의 공극형상의 변경에 따라 성능 특성과 토크리플이 변화함을 알 수 있다. 정격부하 115mNm를 기준으로 하고 토크리플이 28.69%, 25.38%, 22.96%로 감소된다. 토크리플 최소화 측면에서 No.3이 유리하지만 BLDC 모터의 사용환경에 따라 No.2를 선택할 수도 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (c)는 코어(10)의 외주면에서 대칭적 위치에 다수의 노치부(38)를 더 형성하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 노치부(38)는 인접하는 마그넷(20)의 사이에 배치된 상태를 예시한다. 노치부(38)에 의하여 d축 유효공극이 증가하고 인덕턴스가 감소하며, 이에 따라 d, q축 인덕턴스 차이에 의해 발생하는 릴럭턴스 토크가 증가한다. 이는 IPM 타입의 BLDC 모터에서 진동의 감소와 더불어 효율의 상승을 도모한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 코어 20: 마그넷
30: 에어갭 31: 대칭형
32: 비대칭형 34: V형부
36: U형부 38: 노치부

Claims

코어(10) 상에 마그넷(20)을 지닌 BLDC 모터의 토크리플을 저감하는 방법에 있어서:
(a) 상기 마그넷(20)의 양측으로 대칭형(31)의 에어갭(30)을 형성하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계;
(b) 상기 에어갭(30)을 대칭형(31)에서 비대칭형(32)으로 변경하고, 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계; 및
(c) 상기 비대칭형(32)의 에어갭(30)의 형상을 변경하면서 설정된 정격부하에서 성능 데이터를 획득하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
상기 단계 (b)에서 비대칭형(32)의 에어갭(30)은 d축으로 중심으로 대칭이면서 자석폭과 철심폭이 상이하여 특정 직선을 기준으로 비대칭으로 형성되며,
상기 단계 (c)는 에어갭(30)의 각진 부분을 라운딩하여 곡면으로 변경하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (a)는 설정된 극수(N)에 대응하여 N/2개의 마그넷(20)을 배치한 하프마그넷 타입으로 설정하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (a) 내지 (c)에서 획득되는 성능 데이터는 정격속도와 정력전류를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (c)는 코어(10)의 외주면에서 대칭적 위치에 다수의 노치부(38)를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법.