가정용 전기세탁기 직접구동용 영구자석 전동기 특성 설계에 관한 연구

Abstract

최근에 국제적인 금속 재료 등의 원자재 가격의 급등에 따라서 전동기 재료비의 과도한 상승이 발생되며 이로 인하여 전동기의 가격 경쟁력 강화가 요구되고 있으며, 인간의 삶의 질에 대한 향상의 욕구가 커지면서 보다 나은 안락함, 편안함에 대한 기대가 증가되고 있다. 본 연구는 가정용 세탁기 직접구동용 영구자석 전동기의 고출력, 저소음 특성과 저가격화를 위한 특성 설계에 관하여 논하였다. 기존의 세탁기 직접구동용 전동기는 외전형 표면부착형 영구자석 전동기가 주류를 이루고 있는데 구조적인 특성으로 인하여 저소음화 성능에 제약이 있으며 제품 경쟁력 강화 측면에서 저가격화를 위한 새로운 설계 개념이 도입되어야 한다. 연구 목표를 달성하기 위한 방법으로서, 고출력 성능 향상 측면에서는 Magnetic torque외에 Reluctance torque를 유효하게 이용할 수 있는 내전형의 매입형 및 자속집중형 전동기를 선정하였으며, 저가격화 측면에서는 외전형 표면부착형 전동기를 선정하여 Slot-pole 조합 특성, 회전자 형상에 따른 코깅토오크 및 역기전력 특성을 분석하였으며, 정음화 특성을 위하여 Maxwell stress tensor법을 이용한 공극의Radial force 특성을 해석하였다. 역기전력 향상을 위한 비대칭 기자력 분포 권선의 가장 큰 단점으로 지적되고 있는 공극의 Radial force 저감을 위하여 고정자 Tooth surface force density 분석을 실시하여 정음화를 위한 고정자 치 형상에 대하여 검토하였다. 연구 결과에 대한 검증을 위하여 영구자석 전동기의 시제품을 제작하여 토오크-전류 특성 시험, 실부하 온도상승시험을 하였으며, 부하 장착시의 소음 시험을 통하여 전자기 소음원인 공극의 Radial force 저감을 위한 접근 방법이 유효함을 입증 할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 가전용 세탁기 직접구동용 전동기 설계에 유용하게 이용될 것으로 판단된다.; This paper deals with a design of direct-drive fractional-slot winding permanent magnet motors for domestic electric washing machine. Based on the brief review of the classical theory of the fractional winding machines, the characteristic analysis of the higher harmonics MMF of the fractional winding machine is carried out. The characteristic analysis and basic motor design of three different rotor structure concentrated PM motors with fractional slot winding for direct drive application have been fulfilled to achieve a high torque density according to various slot and pole combinations. Inner-rotor motor of IPMSM and flux concentration PM motor and outer-rotor motor of SPMSM are proposed. Analytical and 2-D finite element method are employed to predict the air-gap flux density distribution, cogging torque, electromotive force and radial magnetic force distributions using Maxwell Stress Tensor approach. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The radial force density waveforms along air-gap of each model are calculated. Using the analysis results, several possible ways to reduce electromagnetic noise excitation force were presented. Proto types of inner-rotor and outer-rotor PM motor were constructed. The test results of torque-current characteristics are in good agreement except the overload state. It has been verified that the approaches of concentrated fractional asymmetric winding machine design to increase torque and reduce electromagnetic excitation force are useful.