가속수명시험 및 수치해석에 의한 고속팬용 BLDC모터의 열신뢰성 분석

Abstract

제품의 신뢰성에 대한 소비자의 인식이 높아짐에 따라 각 기업들은 제품의 신뢰성을 향상시키기 위해 많은 노력을 기울인다. 대형공간의 환기 및 열환경 개선 등을 목적으로 그 수요가 증가하고 있는 축류팬의 경우 속도 제어가 가능하고 풍량을 증가시킬 수 있는 밀폐형 BLDC(Brushless DC) 모터가 장착되어 있다. 밀폐형 BLDC 모터는 속도제어가 가능하고 소형화가 가능하지만 사용 특성상 구동부와 제어부인 PCB가 결합된 일체형 구조로 되어 있어 열적인 문제로 고장이 빈번히 발생한다. 따라서 밀폐형 BLDC 모터의 열신뢰성 분석 및 개선을 위한 연구가 필요하다. 총 7개의 PCB를 대상으로 가속수명시험을 수행한 결과 85℃ 온도 수준에서 수명데이타는 854 1,013 [h], 105℃ 온도 수준에서 수명데이타는 221 283 [h]로 나타났다. 고장 부품은 PCB에 부착되어 있는 캐패시터이고, 고장 메커니즘은 캐패시터의 전해액 소손에 의한 절연파괴 고장으로 판단되었다. 가속수명시험을 통해 획득한 수명데이터를 분석한 결과 와이블 분포에 가장 적합하며, PCB 내부공간온도에 따른 BLDC 모터의 수명식을 도출하였다. 이때 도출된 수명식을 적용하여 수명을 분석하기 위해서는 PCB 내부공간온도를 예측하여야 하는데 밀폐형 BLDC 모터의 구조상 어려움이 따르게 된다. 따라서 실험 및 수치적인 방법을 통해 BLDC 모터의 주변온도에 따른 PCB 내부온도를 예측하였고 가속수명시험을 통해 도출된 PCB 내부온도에 따른 수명식을 모터 주변온도에 따른 수명식으로 치환하여 수명을 분석하였다. 모터 주변온도가 21, 35 및 50℃일 때 PCB 내부온도는 각각 73.4, 87.5 및 102.4℃로 예측되었으며 수명식은 로 도출되었다. 따라서 모터 주변온도가 21, 35 및 50℃일 때 도출된 수명은 각각 2,239, 863 및 328 [h]로 산정되었다. BLDC 모터의 신뢰성을 향상시키기 위하여 PCB의 설치각도를 30o간격으로 변경한 결과 PCB 내부온도의 차이는 최대 2 ～ 3℃정도이며 마찬가지로 설치각도에 따른 수명식을 도출하여 수명을 분석한 결과 수명증감률은 10% 이내로 예측되었다. 따라서 설치각도 변경을 통한 BLDC 모터의 열신뢰성 향상은 큰 효과를 기대하기 어려운 것으로 사료되었다. PCB에 부착되어 있는 전자부품의 배치를 발열량, 간격 및 높이 등을 고려하여 변경한 결과 PCB 내부온도는 약 5℃정도 감소될 수 있을 것으로 나타났으며 전자부품 재배치에 따른 수명식을 도출하여 수명을 분석한 결과 약 35% 향상한 것으로 나타났다. 쿨링홀의 설치각도, 설치개수 및 설치배열에 대한 연구를 통해 쿨링홀의 설치각; 45°, 135°, 설치개수; 4개 및 설치배열; 6열일 경우 PCB 내부온도는 최대 25 ～ 30℃정도 감소한 것으로 예측되었으며 이때 수명은 기존에 비해 최대 1,004%까지 향상된 것으로 나타났다.; The thermal reliability of the closed-type BLDC motor for the high speed fans is analyzed by an accelerated-life test and a numerical method in this dissertation. Since the module and the motor part are combined in a closed case, the heat generated from a rotor in the motor and the electronic components in the PCB module can not be effectively removed to the outside. Therefore the module will easily fail by high temperature. The accelerated-life test is accomplished to formulate the life equation and numerical method is used to predict the operation temperature of the PCB module, which is one of the life equation parameter according to the operating environment. The operation temperature is different from the environment temperature since the heat generated from the inside of the motor can not be effectively dissipated owing to the motor's structure. So temperature in the PCB space is predicted by numerical method. The experiment for measuring the surface heat flux of the electronic components is carried out to apply the boundary condition of numerical study. When the surround air temperature of BLDC motor is 21, 35 and 50℃, the temperature in the PCB space is predicted as 73.4, 87.5 and 102.4℃. Then the life time with the temperature are calculated as 2,239, 863 and 328. To improve the thermal reliability of BLDC motor, 1) the angle of installation of PCB module is proposed, 2) the optimal distribution of electronic components on the PCB module is carried out, 3) the cooling hole on the BLDC motor case is added. As a result, the life time of BLDC motor is improved by 450 ～ 800%.