Only-Pull Drive Technique and Design of Permanent Magnet Brushless DC Motors to Avoid the Demagnetization

Abstract

본 논문에서는 자석의 두께가 얇아 발생할 수 있는 비가역적 감자 (irreversible demagnetization)를 방지할 뿐만 아니라 전동기의 특성과 성능을 향상시킬 수 있는 영구자석 브러시리스 직류 전동기 (BLDC motors) 특수 설계 형상에 따른 새로운 구동 기술을 제시한다. 일반적인 구동 기술 및 영구자석 전동기의 착자과정(pull) 및 가역적 감자과정 (push)이 자석의 리코일 라인 (recoil line)에 따라 동작하기 때문에 감자를 방지 할 수 있는 방법 및 전동기 설계 개발이 필요하다. 그러므로, 표면에 장착된 두께가 얇은 영구자석은 특정 오류 조건 아래 push-process에서 쉽게 감자 될 수 있는 위험이 있어, 전동기의 성능이 저하될 수 있다. 통상적으로, 자석의 두께가 두꺼우면 비용이 높아지지만, 흔히 영구자석 전동기의 비가역 감자의 위험을 최소화하는데 사용된다. 그러나, 제안된 구동 기술은 전동기 작동에서 pull-process만 관여되며, push-process는 제외되었다. 제안된 방법의 성능을 비교 검증 하기 위해, 경 (radial) 방향 자속형과 축(axial)방향 자속형의 서로 다른 2상 전동기를 설계 한다. 희토류 (NdFeB) 자석을 사용하여 표면에 영구자석을 부착한 경방향 자속형 구조의 2상 영구자석 전동기 형상을 제안한다. 그리고 페라이트 자석을 사용하여 영구자석을 매립한 구조의 IPM 전동기 형상을 제안한다. 그러나, 페라이트 자석의 감자 특성의 한계 때문에, 회전자 내부에 영구자석을 매립하는 구조일 때는 자석을 보호하기 위해 하이브리드 영구자석 전동기 (HPMM) 형태의 새로운 형상을 제안한다. 희토류 NdFeB 자석은 표면부착형으로 구성하고 페라이트 자석은 스포크형 IPM 배열로 구성한다. 경방향 자속형은 원하는 역기전력 파형을 얻는데 한계가 있기 때문에, 축방향 자속형이 도입되었다. 자석의 형상은 주로 전동기의 특성을 향상시키기 위해 원하는 역기전력의 사다리꼴 파형이 나올 수 있도록 설계되었으며, only-pull drive 기술의 최대 이점을 활용하였다. 공극자속밀도, 쇄교자속, 그리고 누설 자속의 관계들에 따른 형상변화 효과를 설명하였다. 경방향 자속형 및 축방향 자속형 전동기는 동일한 설계 개념을 도입하였고 동일한 부하를 적용하였다. Only-pull drive기술로 구동되는 전동기와 역기전력 파형이 사다리꼴이 아닌 RFPM 전동기의 역기전력파형과 토크를 비교하였다. AFPM 전동기의 토크 리플을 줄이기 위해 분할된 구성을 제안한다. 또한, 이중 공극 (이중 고정자)의 비자성체 경방향 자속형 및 축방향 자속형 구조는 토크 밀도를 향상시킨다. 두 개의 정렬 된 고정자 사이에 비자성체 회전자를 배치하여 (샌드위치 형상) 직렬 자기회로를 형성하고 효과적인 쇄교자속으로 성능을 향상시키었다. 평행 자기 회로를 형성하는 자성체 회전자 구조의 전동기와 비자성체 경방향 자속형 및 축방향 자속형 영구자석 전동기의 성능을 비교하였다. ANSYS Maxwell을 이용한 유한 요소 시뮬레이션 결과와 비자성체 이중 고정자 축방향 자속형 영구자석 BLDC 전동기 실험 결과에 기초하여 제안한 구동 시스템과 설계 형상의 타당성을 검증하였다. 결과는 제안한 방법이 자석의 비가역 감자를 방지하는데 도움이 된다는 것을 보여준다. 또한, 단일 공극 및 이중 공극 의 축방향 자속형 전동기는 역기전력 파형과 정량적 및 정성적 토크 측면에서 경방향 자속형 전동기보다 향상된 성능을 보인다.; This dissertation presents a new drive technique along with the topologies for a particular design of permanent magnet (PM) brushless DC (BLDC) motors to protect the thin magnets from irreversible demagnetization as well as improving the characteristics, and quality of performance for the designed motors. Development of a technique and motor design was necessary against the demagnetization because all the conventional drive techniques and PM motors operate in both magnetizing process (pull) and reversible demagnetizing process (push) on the recoil line of magnets. Therefore, surface mounted thin PMs may easily undergo a risk of demagnetization at the push process under certain fault conditions, which leads to deterioration of the motor performance. Traditionally, thick magnets, contributing the significantly high cost, are usually used to minimize this risk in the PM motors. However, the proposed drive technique involves only the pull-process and push process is avoided in the operation of the motor. To verify the competitive performance of the proposed drive technique, different topologies of two-phase motors are designed. The radial flux topology with surface mounted rare-earth (NdFeB) magnets of two-phase PM motor is suggested. The work is extended to interior PM (IPM) motors with the ferrite magnets. However, because of the limitations of demagnetization endurance capability of the ferrite magnets, a new configuration with hybrid PM motor (HPMM) is developed to protect the magnets when interior type magnets are involved in the rotor. The rare-earth NdFeB magnets are configured in surface type and the ferrite magnets are configured in a spoke type IPM arrangement. Owing to the limitation of radial flux topology for attaining the desired back-EMF waveform, an axial flux topology is introduced. The design geometry in axial flux topology is primarily considered to achieve the desired trapezoidal shape of back-EMF to improve the characteristics of the motor, utilizing the maximum benefit from the only-pull drive technique. The effects of the geometry are explained with the help of air gap flux density, flux linkage, and the leakage flux. Both the radial flux and the axial flux motors adopt the same design concept and hold equal electromagnetic loadings. The profile of back-EMF and the electromagnetic torque driven by the only-pull drive technique are compared with that of RFPM motor having a non-trapezoidal back-EMF. The split configuration is suggested for the AFPM motors to reduce the torque ripples. Further, dual air-gap (dual stator) iron-less radial flux and axial flux topologies consisting of a rotor structure without iron core are introduced to improve the torque density. Sandwiching the iron-less rotor between the two aligned stators forms a serial magnetic circuit and provides an effective magnetic flux linkage to improve the performance. The performance characteristics of the iron-less radial flux and axial flux PM motors are compared with that of a motor containing a conventional rotor structure that forms a parallel magnetic circuit. Finite element simulation using ANSYS Maxwell of all the motors and experimental results only for iron-less dual stator axial flux PM BLDC motor are carried out for the verification of the proposed drive technique and the designed motors. The results reveal that the proposed technique is helpful in the protection of magnets against the irreversible demagnetization. Moreover, axial flux topology motors with both single air-gap and dual airgap offers improved performance than that of radial flux topology motors in terms of the improved shape of the back-EMF and quantitative as well as qualitative torque.