착자 불균일이 존재하는 브러시리스 DC모터의 치의 형상에 따른 코깅토크 해석

Abstract

HDD(Hard Disk Drive)와 CD 또는 DVD 등과 같은 정보기억장치는 고밀도화를 통한 대용량화를 추구한다. 이러한 추세에 따라서 정보기억장치에 사용되는 BLDC(Brushless DC) 모터는 정밀구동을 위한 저진동특성이 요구된다. BLDC 모터의 진동을 유발하고 정밀성을 감소시키는 많은 원인들 중의 하나는 영구자석과 슬롯 사이의 상호작용에 의하여 발생되는 코깅토크(cogging torque)이며 슬롯이 존재하는 모터에서 코깅토크는 존재할 수 밖에 없다. 이러한 코깅토크를 감소시키기 위한 연구는 많은 연구자들에 의해서 진행되어 왔고 많은 방법들이 제안되어 있다. 특히 정보기억장치용 BLDC 모터에서는 코깅토크를 감소시키기 위해 제안된 방법들 중 고정자 치의 끝단에 챔퍼링(chamfering)을 적용하는 방법을 주로 사용한다. BLDC 모터의 정밀성을 감소시키는 또 다른 원인으로는 영구자석의 착자 불균일이 있다. BLDC 모터에서 사용되는 영구자석은 재질의 불균일, 형상적 불균일 그리고 착자기의 결함요소에 의해서 실제로 착자 불균일이 존재할 수 밖에 없으며 착자 불균일은 코깅토크에서 슬롯 배수에 해당하는 주파수 성분들을 발생시킨다. 본 연구에서는 착자 불균일을 고려하기 위해서 모터마다 다르게 존재하는 착자 불균일을 대표할 수 있는 합리적인 착자 불균일도를 구하였다. 또한 합리적인 착자 불균일도와 고정자 치에 챔퍼링을 적용하는 방법을 동시에 고려하여 2차원 유한요소법으로 코깅토크를 계산하였고 그 결과를 주파수 분석하였다. 분석 결과 착자가 이상적인 경우에는 치에 챔퍼링을 적용하는 방법이 극과 슬롯의 최소공배수에 해당하는 코깅토크의 주파수를 감소시킴으로써 코깅토크의 pk-pk(peak to peak) 크기를 감소시키는 것을 확인하였다. 그러나 착자 불균일이 존재하는 경우에는 착자 불균일에 의해서 슬롯 수에 해당하는 코깅토크 주파수를 증가시켜 오히려 코깅토크의 pk-pk 크기를 증가시키는 것을 발견하였다. 또한 착자 불균일이 존재하는 경우 치에 챔퍼링을 적용함으로써 나타나는 코깅토크의 경향성을 실험적으로 증명하였다. 이러한 결과는 코깅토크를 감소시키기 위해 사용되는 고정자 치에 챔퍼링을 적용하는 방법이 착자 불균일을 고려하게 되면 역효과가 발생할 수도 있음을 나타낸다.