할바 자석의 배열을 고려한 자기등가회로 기반 외전형 전동기 설계 연구

Abstract

최근 드론이 다양한 산업분야에서 다양한 목적으로 사용되고 있으며, 이에 따라 드론의 운전시간 향상 및 운전시 안정성 확보가 필요하다. 드론의 성능 향상을 위해서는 드론 시스템의 핵심 부품인 전동기의 특성 향상도 필수적으로 병행되어야 한다. 드론용 전동기는 일반적으로 외전형이 적용되며 다극 구조로 설계된다. 다극 구조는 저극 구조에 비해 회전자 요크의 포화도가 낮기 때문에 그만큼 요크 두께를 저감 시킬 수 있다. 그러나 이러한 다극 구조에서는 극간 누설이 크기 때문에 출력 향상에 한계가 존재한다. 본 연구는 드론용 전동기의 경량화 및 출력 향상을 동시에 가능케 할 수 있는 할바 배열 자석을 적용한 설계 연구를 진행하였다. 할바 자석의 자화 방향에 따라 자속 특성 및 철심의 포화도가 달라지기 때문에 이를 고려한 설계를 진행하며, 이때 기존의 자기등가회로망을 이용하는데 있어서 어려움이 따르기 때문에 이를 해결하기 위한 방안을 제시하였다. 중첩의 원리 개념을 이용하여 축을 기준으로 자속을 방향에 따라 분리하여 자기등가회로를 각각 구축하고, 주요 파마리터 값들을 도출하는 방법을 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 자기등가회로를 이용하여 공극자속밀도를 최대화하여 무게 저감을 할 수 있고, 정격 토크 등 요구 사양과 전동기 파라미터를 만족할 수 있는 설계 프로세스를 제안하였다. 마지막으로 본 논문에서 제안한 설계 프로세스의 타당성을 검증하기 위하여 최종적으로 도출된 할바 자석이 적용된 외전형 드론용 전동기의 모델을 제작하였고 성능 시험 및 상용 드론용 전동기와의 비교를 통해 본 논문의 타당성을 검증하였다. |Recently, drones are used for various purposes in various industries, and accordingly, it is necessary to improve the operation time of drones and secure stability during operation. In order to improve the performance of drones, it is essential to improve the characteristics of the motor, which is a core part of the drone system. Motors for drones are generally applied with an external rotor type and are designed in a multi-pole structure. Since the saturation of the rotor yoke is lower in the multi-pole structure than in the low-pole structure, the yoke thickness can be reduced accordingly. However, in such a multi-pole structure, there is a limit to the power improvement because the inter-pole leakage flux is large. In this study, a design study was conducted using Halbach array magnets that can simultaneously reduce the weight of drone motors and improve power. Since the linkage flux and the saturation of the iron core vary depending on the magnetization direction of the Halbach magnet, the design considering this is carried out. Using the concept of superposition principle, a magnetic equivalent circuit was constructed by separating the flux according to the direction based on the axis, and an algorithm was proposed to derive the main parameter values. A design process that can reduce weight by maximizing the air gap flux density using the proposed magnetic equivalent circuit and satisfy the required specifications and motor parameters is proposed. Finally, in order to verify the validity of the design process proposed in this paper, a model of an external rotor motor applied with a Halbach magnet finally derived was produced, and the validity of this paper was verified through performance experiment and comparison with commercial drone motors.