영구자석 매입형 BLDC전동기의 코깅토크 저감을 위한 자속장벽 최적 설계

Abstract

본 논문는 영구자석매입형(Interior Permanent Magnet: IPM) Brushless DC(BLDC) 전동기의 코깅토오크를 저감하기 위해 자속장벽의 형상의 새롭게 제안하고 그 형상 설계를 최적화시키는 논문이다. 일반적으로 영구자석매입형(IPM) 전동기는 영구자석이 회전자에 매입되어있는 구조로 인해 회전자의 d축 인덕턴스보다 q축 인덕턴스가 크게 나타나 영구자석에 의한 토크 외에도 추가적인 릴럭턴스 토크를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 릴럭턴스 차이에 의한 코깅토크가 크게 나타나 토크 리플이 증가하므로 전동기 운전 시 진동 및 소음이 발생하는 단점을 갖는다. 따라서 토크리플 저감을 위한 방법으로 q축으로 흐르는 자속의 경로를 조절하여 d축 인덕턴스를 증가시켜 공극의 자속밀도를 정현적으로 분포시키는 자속장벽(flux barrier)에 관한 연구와 설계기법이 다수 제안되었다. 본 논문에서는 기존의 자속장벽의 문제점인 누설에 인한 자속량의 감소와 그에 따른, 역기전력, 평균토크, 그리고 전체적인 효율 감소를 보완하고자 새로운 형상의 자속장벽을 제안하였다. 또한 실험계획법의 대표적인 방법인 다구찌 실험계획법을 사용하여 제안한 자속장벽의 최적형상 설계를 실시하였다. 최적화를 위해 자속장벽 형상 결정 인자를 설계변수로 선택하였으며 코깅토크, 평균토크, 효율을 동시에 고려하는 다중목적함수를 정식화하고 분석하여 최적의 설계형상을 찾아내었다. 또한 각각의 설계변수가 최종목적함수에 미치는 영향력을 분석하고 예측하여 설계시간을 단축하였으며 최종적인 변수의 신뢰도 확인을 위하여 2차원 유한요소해석법을 통하여 검증하였다.; This paper proposes the novel flux barrier that built in q-axis in rotor of IPM type BLDC motor. The novel flux barrier aims to reduce the motor vibration with reduced cogging torque and lessened torque ripple by the sinusoidal waveform distribution of the flux generated in the permanent magnet. For optimization of the novel flux barrier, the Taguchi method is effectively employed which considered multiple objective quality characteristics, such as cogging torque, average torque and efficiency. The result of proposed model compare with the initial model and it is verified by 2D finite element method (FEM) results.