브러시리스 직류 전동기의 코깅 토크 저감을 위한 영구자석 착자기 강건 최적 설계

Abstract

BLDC 전동기의 코깅 토크는 회전자의 영구자석과 고정자의 상대적 위치 변화에 따른 자기 저항의 변화에 의해 발생하는 성분으로 BLDC 전동기의 소음과 진동의 주요 원인 중 하나이다. 이상적인 BLDC 전동기의 코깅 토크는 고정자의 슬롯 수와 영구자석의 극 수의 최소 공배수의 조화 성분들만이 발생한다. 그러나 BLDC 전동기에 제작 오차가 있는 경우에는 코깅 토크에 추가적인 이상 가진 주파수 성분들이 발생한다. 특히 영구자석의 착자 불균일이 존재하는 경우에는 슬롯 수의 배수에 해당하는 이상 가진 성분이 발생한다. HDD 스핀들용 BLDC 전동기와 같이 작은 사이즈 전동기에서는 영구자석의 착자 불균일에 의해 발생하는 이상 가진 성분이 코깅 토크의 기본 주파수 성분보다 크게 발생할 수 있어 심각한 소음, 진동 문제가 발생하기도 한다. 영구자석의 착자 요크의 제작 오차는 영구자석의 착자 불균일을 발생시키는 주요 요인 중에 하나로, 특히 착자 요크의 코일 위치 오차에 의해서 영구자석의 착자 불균일이 크게 발생한다. 착자 요크를 제작할 때에 착자 코일의 위치 오차는 미리 예측하기 어려울 뿐만 아니라 착자 코일 오차를 줄이기도 매우 힘들다. 따라서 착자 코일 위치 변동에 의한 BLDC 전동기의 코깅 토크의 변동을 줄일 수 있는 연구가 필요하다. 본 논문에서는 착자 요크의 코일 위치 변동를 고려하여 BLDC 전동기의 코깅 토크를 저감하기 위한 착자기 강건 최적 설계 방법을 제안하였다. 코깅 토크의 주요 주파수 성분에 가중치를 부과한 목적 함수를 설정하고 목적 함수를 최소화하기 위한 최적 설계를 수행하였다. 그리고 토크 상수의 상한-하한 값을 제한 조건으로 정하였다. 또한 2.5인치 HDD 스핀들용 BLDC 전동기의 착자 요크의 코일 위치 오차를 컴퓨터 단층 촬영을 이용하여 측정하여, 측정된 코일 위치의 크기를 강건 최적 설계 문제에서 랜덤 변수로 설정하였다. 그리고 코깅 토크를 저감하기 위한 착자 요크의 추가적인 설계 변수로는 백 요크의 두께, 노치의 깊이, 착자 전압을 택하였다. 착자 코일 위치 변동에 의한 영구자석의 착자 분포와 BLDC 전동기의 코깅 토크 변동을 수치 해석과 실험을 통해 확인하였다. 그리고 실험계획법을 이용하여 착자기의 설계 변수에 따른 BLDC 전동기의 코깅 토크 근사 모델을 생성하여 착자기 강건 최적 설계 과정에 적용하였다. 착자기의 최적 모델과 기존 모델의 코깅 토크를 비교하였으며, 그 결과 제안한 착자기 강건 최적 설계 방법이 BLDC 전동기의 코깅 토크를 저감하는데 효과적이라는 것을 알 수 있었다.