KOMOTEK Co., Ltd. MotorPro - 18 - Chap Ⅲ. MotorPro BLDC Ⅲ. MotorPro BLDC 1. Overview MotorPro 는 BLDC, PMDC, SRM 의 세가지 type 을 지원하며, 이중 이장에서 다룰 BLDC 는 Brushless DC Motor 를 의미한다. 즉 BLDC Motor 는 PMDC 모터에서 기계적으 로(brush 와 commutator 에 의하여) 행해지던 정류작용을 반도체 스위치를 이용하여 전 기적으로 대체한 것으로 미래형 고효율 모터로서 각광을 받고 있는 모터이다. BLDC 모 터는 그 이름의 모호성에서부터 알 수 있듯이 그에 대한 정의가 혼용돼서 사용되고 있 다. 따라서 본장에서는 먼저 MotorPro 가 포함하는 BLDC 모터의 범위를 분명히 하고자 한다. MotorPro 에서 BLDC 라 함은 영구자석 DC 모터를 뒤집어 놓은 것과 동일한 모양 즉 내부에서 회전하는 영 구자석과 외부에 고정된 전기자를 갖고 있는 가장 일반적인 형태의 bldc 모터 영구자석 DC 모터와 동일한 구조이지만 brush 와 commutator 가 없고 외부의 영 구자석이 회전하는 exterior bldc 모터 회전자에 유기되는 역기전력 파형이 sinewave 꼴인 PMAC 혹은 BLAC 라고 불 리우는 동기모터를 모두 포함하는 의미이다. , 는 DC 모터와 같이 사다리꼴 모양의 역기전력 파형를 갖고 그에 따라 사다리꼴 모양의 전류에 의해 동작이 되기 때문에 DC 모터와 동일한 해석 방법이 적용되고, 은 역기전력 파형과 전류의 파형이 모두 정현파의 형태를 띄기 때문에 일반 동기전동 기의 해석 원리를 따른다는 점에서 차이가 있으나 영구자석을 계자로 사용하고 Inverter 회로에 의해 구동된다는 점 그리고 자석 모양, 권선방법 그리고 skew 등에 의해 역기 전력 파형을 사다리꼴 혹은 정현파 모양으로 만들 수가 있기 때문에 둘 사이의 구분을 없애고 하나의 범주에 포함시켰다.
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KOMOTEK Co., Ltd. MotorPro
- 18 - Chap Ⅲ. MotorPro BLDC
Ⅲ. MotorPro BLDC
1. Overview MotorPro 는 BLDC, PMDC, SRM 의 세가지 type 을 지원하며, 이중 이장에서 다룰
BLDC 는 Brushless DC Motor 를 의미한다. 즉 BLDC Motor 는 PMDC 모터에서 기계적으
로(brush 와 commutator 에 의하여) 행해지던 정류작용을 반도체 스위치를 이용하여 전
기적으로 대체한 것으로 미래형 고효율 모터로서 각광을 받고 있는 모터이다. BLDC 모
터는 그 이름의 모호성에서부터 알 수 있듯이 그에 대한 정의가 혼용돼서 사용되고 있
다. 따라서 본장에서는 먼저 MotorPro 가 포함하는 BLDC 모터의 범위를 분명히 하고자
한다.
MotorPro 에서 BLDC 라 함은
영구자석 DC 모터를 뒤집어 놓은 것과 동일한 모양 즉 내부에서 회전하는 영
구자석과 외부에 고정된 전기자를 갖고 있는 가장 일반적인 형태의 bldc 모터
영구자석 DC 모터와 동일한 구조이지만 brush 와 commutator 가 없고 외부의 영
구자석이 회전하는 exterior bldc 모터
회전자에 유기되는 역기전력 파형이 sinewave 꼴인 PMAC 혹은 BLAC 라고 불
리우는 동기모터를 모두 포함하는 의미이다.
, 는 DC 모터와 같이 사다리꼴 모양의 역기전력 파형를 갖고 그에 따라 사다리꼴
모양의 전류에 의해 동작이 되기 때문에 DC 모터와 동일한 해석 방법이 적용되고,
은 역기전력 파형과 전류의 파형이 모두 정현파의 형태를 띄기 때문에 일반 동기전동
기의 해석 원리를 따른다는 점에서 차이가 있으나 영구자석을 계자로 사용하고 Inverter
회로에 의해 구동된다는 점 그리고 자석 모양, 권선방법 그리고 skew 등에 의해 역기
전력 파형을 사다리꼴 혹은 정현파 모양으로 만들 수가 있기 때문에 둘 사이의 구분을
없애고 하나의 범주에 포함시켰다.
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2. Tutorial BLDC
각 설계변수들과 형상치수에 대한 물리적 의미와 설명은 §III.3 에서 하도록 하고,
이장에서는 간단한 따라하기 예제를 연습해보도록 한다(주로 default.bldc 파일설정을 그
대로 쓴다).
2.1 General procedure of Motor design.
아래의 순서대로 설계변수들을 설정한다:
Topology→Stator→Rotor→Side→Winding→Material→Etc→ Control
MotorPro 프로그램을 실행시킨후 File 메뉴에서 New 메뉴를 선택해서, BLDC-
interior 를 선택한다. 그러면 메인 화면은 아래와 같다.
Fig. 3.1. New-BLDC(interior) 선택후의 메인 화면.
Interior Motor
모터 구조에서 회전 자석계자가 내부에 있고 고정 전기자가 외부에 있는 모
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터를 지칭한다.부하에 대한 빠른 가속, 감속이 필요한 모터에 주로 사용된다. (토
크) / (관성 모멘트) 의 비율이 높을수록 좋다
Exterior Motor
모터 구조에서 회전 자석계자가 외부에 있고 고정자가 내부에 있는 모터를 지
칭한다. 빠른 회전 속도와 중간 회전 속도에서 정속도를 필요로 하는 모터에 주로
사용된다.
맨 처음으로 topology 를 정해야 하는데, 다음과 같이 설정해보자: 4pole, 24slots
모든 설계변수들이 결정되면 Output tab.내의 Common -Input Para.에서 그 설정값
들을 확인할 수 있다.
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Fig. 3.12. Input parameter 확인.
아이콘을 누르면 아래 그림처럼 MMF 분포를 볼 수 있다.
Fig. 3.13. MMF 분포.
이상태에서 Main 화면의 toolbar 에서 회전버튼( )을 눌러서 회전자가
회전할 때의 MMF 분포를 볼 수 있다.
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2.2 FEA (Finite Element Analysis)
Output tab.의 FEM 에서 FE (Finite Element) 해석을 수행할 수 있다. FEA Exprs.는
Tools-Options-FEM Options 에서 설정한 파라미터로 곧바로 해석이 수행되고, FEA
Custom 을 누르면 다음과 같은 창이 뜬다.
Fig. 3.14. FE 해석 초기화면.
FE 해석을 수행하고 나면, FEM 도구모음 아이콘들이 활성화된다.
→
Fig. 3.15. FEM 아이콘 활성화.
그후, Kt(Torque constant), Inductance, Loss 등의 설계 변수들이 update 되고
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이것은 Output Para. 에서 확인 가능하다.
다음과 같은 FEM 해석결과를 확인할 수 있다: Mesh(요소분할), Equipotential
line(등전위선), Flux density(자속밀도), Flux density on line(선간 자속밀도), Flux density
on arc(호를 따르는 자속밀도), etc. FE 해석을 한 후, 하나하나 결과를 확인해보자..
Mesh 버튼( )을 누르면, 모터 요소모양을 볼 수 있다.
Fig. 3.16. 요소모양.
Equipotential Lines 버튼 ( )을 누르면, 등전위선을 볼 수 있다.
Fig. 3.17. 등전위선.
Flux Density 버튼 ( )을 누르면, 자속밀도 분포를 볼 수 있다.
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Fig. 3.18. 자속밀도 분포.
Point 버튼 ( )을 누르고 모터형상내의 한점을 클릭하면, 클릭한 점에서의
자속 밀도의 크기와 r방향 성분값, θ 방향 성분값, x축 방향 성분값, y축 방향
성분값을 확인 할 수 있다.
Fig. 3.19. 지정된 점에서의 자속밀도 값.
Line버튼 ( )을 누르면, 지정된 두점 사이의 직선을 따르는 자속밀도를 볼
수 있다. 두점 사이의 간격을 100등분하여 0이 Start Point, 100이 End Point가 되도록
하여 보여준다. 두 점을 클릭한 후 Ok버튼을 누르면 된다.
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Fig. 3.20. 두점을 지정.
Fig. 3.21. 두점사이의 직선상의 자속밀도분포.
Arc버튼 ( )을 누르면, 지정된 점을 중심으로 하여 지정된 반지름, 시작각과
끝각을 따르는 자속밀도를 볼 수 있다. 두점 사이의 간격을 100등분하여 0이 Start
Angle에 해당하는 점, 100이 Finish Angle에 해당하는 점이 되도록 하여 보여준다.
한점을 선택한 후(이점이 호의 중심이 된다), 반지름, 시작각, 마침각을 입력한 후
Ok버튼을 누르면 된다. 반경방향과 원주방향에 대한 그래프를 각각 볼 수 있다.
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Fig. 3.22. 중심과 반지름, 시작각과 끝각 지정.
Fig. 3.23. 두점 사이의 곡선상의 자속밀도 분포-반경방향과 원주방향.
Output tab.의 FEM only에서 Flux distribution in Air Gap 버튼을 누르면,
공극자속밀도를 볼 수 있다.
Fig. 3.24. 공극 자속밀도.
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3. Input 모터의 형상과 특성을 입력하는 부분이다. 각각의 버튼들은 대화상자를 갖고 있으며
사용자는 그 내용들을 변경하여 자신이 원하는 모터를 만들어 갈 수 있다. 대화상자가
활성화된 상태에서 Main Window 의 어떠한 작업도 행할 수가 없다(다른 작업을 하려면
대화상자를 닫아야 한다). 그리고 대화상자의 변수명들에 대한 설명을 보고자 한다면
대화상자가 활성화 된 상태에서 ‘F1(Help)’ key 를 눌러서 그 대화 상자에 대한 도움말을
볼 수 있다.
각각의 대화상자는 그림이 있고 없음에 따라서 두개 혹은 세개의 버튼을 갖는다.
Display window 가 있는 대화 상자의 경우 ‘Ok’ , ‘Apply’, ‘Cancel’ 3 개의 버튼을 갖고 그
렇지 않은 경우는 ‘Ok’, ‘Cancel’ 두개의 버튼을 갖는다. Ok 는 대화상자를 종료함과 동
시에 주어진 입력을 받아들여 기존의 변수 값들을 갱신하고, Apply 는 새로운 입력으
로 단순히 그림을 다시 그리고, Cancel 은 현재의 값을 무시하고 기존의 값을 그대로
유지함을 의미한다.
3.1 Topology 결정
모터의 기본 사양인 극수, 슬롯수를 결정한다. 극수는 짝수(even number)이어야
하고, BLDC 의 경우 슬롯수는 상수의 정수배이어야 한다. 상수는 3 으로 고정된다.
Fig. 3.25. Motor Topology 결정.
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Topology 대화상자의 입력 변수들은 모터의 가장 기본적인 설계변수들이다. 따
라서 설계나 해석을 수행하기 이전에 가장 먼저 결정되어야 한다. 특히 모터의 권
선 정보를 저장하기 위하여 MotorPro 는 내부적으로 동적인 메모리 할당을 하게 되
고, 이 값들은 Topology 대화 상자의 변수들인 Poles, Slots, Phases 등과 매우 밀접한
관련을 갖는다. 따라서 만약 입력변수를 입력하는 도중 혹은 입력이 완료된 후에
topology 대화상자의 내용을 변경하게 되면 권선 정보를 담고 있는 메모리영역이
해제(free)되어 사용자는 다시 권선 정보를 입력해야 한다.
3.2 Stator design
다음으로 Stator 과 Rotor 의 형상을 디자인해야 한다. MotorPro 는 대부분의
Stator/Rotor 형상을 제공 하고 있지만, 차후 필요할 형상들에 대비해서 제공되지
않는 형상을 DXF(AutoCAD file)로 직접 제작하여 붙여볼 수 있기 때문에 유연
성이 매우 좋다.
Stator 의 형상을 디자인하기 위해서는 Stator 버튼을 선택하고, Rotor 의 형상을
디자인하기 위해서는 Rotor 버튼을 선택한다.
Stator 버튼을 누르면 아래그림과 같은 창이 나타난다. 각 항목에 대한 설명은
다음과 같다.
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Fig. 3.26. Stator Window.
1) Type 설정 버튼
2) 치수 입력 창
3) Tool 버튼
4) Display 창
5) Print 버튼
6) Copy to Clipboard 버튼
7) 마우스 위치 좌표
8) mode 정보 – DXF Import 하면 DXF mode 로 바뀐다
3.2.1 Type 설정버튼
Type 버튼을 누르면 아래그림과 같이 Stator 의 다른 타입을 설정하는 창이
나타난다. 이 창에는 Slot 과 Tooth, groove 를 선택할 수 있고, 이 세가지는
상호 독립적으로 선택되고 각기 선택된 형상들로 조합된다.
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Fig. 3.27. Stator Type Select window.
선택되어진 슬롯은 반전되어 나타나며, Slot type 은 총 6 가지가 있으며 각
각의 형상은 다음과 같다.
Table. 3.1. Slot type
DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 Slot 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.
Tooth Width 가 같고 Slot 이 Line 으로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Flat (sFlat) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)
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Tooth Width 가 같고 Slot 이 Arc 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Depth (SD), Slot Open(SO)
Slot Width 가 같고 Slot 이 Line 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Flat (sFlat) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)
Slot Width 가 같고 Slot 이 Arc 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)
Tooth Width 가 같고 Slot 이 Line 으로 이루어져 있고, 구석이 Tooth 와 직각을 이루고 있는 형상 (Interior 만 가능) 입력 파라미터는 slot tooth flat (stoothflat), Slot Depth (SD), Slot Open(SO)
Tooth 또한 독립적으로 선택되어 위의 각각의 Slot 들과 조합을 이룬다.
Tooth 는 총 5 개를 가지고 있으며, 각각의 Tooth 는 다음과 같다.
Table. 3.2. Tooth type
DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 tooth 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.
Tooth 의 끝부분에 아무것도 없는 형상. 입력값으로는 Tooth Width(Tw).
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Tooth 의 끝부분에 각도를 입력할 수 있는 형상. 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut angle (TGAng), Tooth tang depth (TGD)
Tooth 의 끝부분을 원으로 덧붙이는 형상. 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang over Arc (OuterCircle), Tooth tang depth (TGD)
Tooth 의 끝부분을 원으로 파는 형상 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut Arc (InnerCircle), Tooth tang depth (TGD)
Groove 또한 독립적으로 선택되어 위의 각각의 Tooth 들과 조합을 이룬다.
Groove 는 총 3 개를 가지고 있으며, 각각의 Groove 는 다음과 같다
Table. 3.3. Groove type
DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 tooth 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.
Groove 가 없는 형상
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사각형 모양의 Groove 가 있는 형상. 추후 원형 Groove 형상
도 지원할 예정이다. 입력 변수로는 GrN(Groove Number), GrH(Groove Height), GrW(Groove Width) 들이 있다.
3.2.2 치수 입력창
type 을 선택하면 이제 Stator 에 치수를 입력해야 한다. 각각의 Type 마다
입력할 수 있는 치수 아이템은 변경되고, 알맞은 치수를 입력하면 된다.
Table. 3.4. Stator 치수 정보
RadS
Stator 의 외경
RadSI
Stator 의 내경
TW
치폭
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SD
슬롯 깊이
SO
슬롯 오프닝
TGD
Tooth Tang Depth
TGAngle
Tooth Tang Angle
sRound
슬롯 모서리반경
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SFlat
슬롯 편평부분 길이
GrH
홈의 높이
GrW
홈의 폭
GrTheta 0
Gr 의 개수만큼 지정해줄 수 있으며 0 도로 지정하면 기본
적으로 모든 Gr 이 등간격으로 설정되며, 이 GrTheta 값을 조절하면 등간격 위치에서 degree 로 offset 양을 줄 수 있다.
3.2.3 Tool 버튼
DXF Export - MotorPro 는 AutoCAD 파일로 내보내거나 가지고 올 수 있다.
Export 버튼은 AutoCAD 의 DXF 파일 포맷으로 만들어 낸다. MotorPro 는
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Export 로 만들어낸 형상을 AutoCAD 로 읽어 들여 편집 작업이 가능하도
록 한다.
DXF Import - 현재 지원되지 않는 형상을 위해서 AutoCAD 의 DXF 파일을
읽어 들여 작업할 수 있다. DXF 를 Import 하면 Slot 과 Tooth 의 type 이 자
동으로 DXF 로 바뀌게 되며, Import 후에는 각 치수들, 슬롯의 영역중의 한
점과 Steel 의 영역중의 한점을 수동으로 설정해 주어야 한다. 또한 이경
우 MotorPro 에서 슬롯 영역을 인식하지 못하므로 Slot 과 Tooth 가 만나는
점끼리 Line 을 그어주어야 한다. DXF 를 Import 했을 경우 Tool 메뉴에서
color 옵션은 적용되지 않는다. DXF Import 시에도 저항계산 등을 위해
RadS, RadSI, TW 등의 값을 DXF 와 동일하게 입력해준다.
DXF Edit - EMFCAD 를 호출해서 dxf 파일을 편집할 수 있다.
CAD 의 line 과 osnap 메뉴를 이용해서 옆그림처럼 슬롯을 막는 직선
을 그려주어야 한다(두 직선중 아무것이나 하나만 그려주면 된다).
DXF Import, Export 에 관한 자세한 설명은 매뉴얼 끝부분의 Appendix
A.를 EMFCAD 의 사용법은 Appendix. E 를 참조하기 바란다.
Scaling – Stator 의 크기를 변경하고자 할 때 Interior 형태의 모터일 경우
Stator 의 내경의 크기 만큼 자동으로 크기 변환을 한다.. Exterior 형태일 경
우 RadS 값을 넣어주어 최대 외경의 값을 넣어주어야 한다. 이 기능은
DXF 를 읽어온 경우에는 지원되지 않는다.
fix Airgap – 공극의 크기를 유지하면서 Scaling 기능을 사용할 것인지, 유지
하지 않을 것인지를 체크한다.
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Slot Point0-슬롯의 영역내부의 임의의 한
점을 오른쪽 그림에서 마우스 좌표를
읽어서 대입해준다.
Steel Point- Steel 의 영역내부의 임의의
한점을 오른쪽 그림에서 마우스 좌표를
읽어서 대입해준다.
3.2.4 Display 창
슬롯이 그려질 윈도우 창
3.2.5 Print 버튼
현재 슬롯의 모양을 프린터로 찍어 내는 버튼
3.2.6 Copy to Clipboard 버튼
현재 슬롯의 모양을 캡쳐해 내는 버튼
3.2.7 마우스 위치 좌표
현재 마우스의 위치를 실제 값으로 보여주는 부분
3.2.8 Mode 정보
현재 mode 가 type 인지 DXF 모드인지를 알려준다.
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3.3 Rotor design
Rotor 버튼을 누르면 아래그림과 같은 창이 나타나게 된다.
Fig. 3.28. Rotor Window.
Rotor Type 을 지원하는 것과 치수 입력 부분을 제외하면 기본적인 기능은 Stator 와
동일하다. Rotor 의 경우도 AutoCAD DXF 파일을 Import 할 수 있는데, 이경우에도 수동
으로 치수를 대입해주고 자석영역중의 한점, Steel 영역중의 한점을 지정해 주어야 한다.
3.3.1 Type 설정 버튼
Rotor 에서 지원하는 타입은 Table. 3.5 와 같이 7 가지이다.
Table. 3.5. Rotor Type
DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 Slot 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.
Rotor core 의 모양이 원형인 형상. 입력 파라미터는 RadRI, RadRO, Rshaft, BetaM, Mflat, Mflat2, Offset, edgeH
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Rotor core 의 모양이 직선인 형상 입력 파라미터는 Rotor 의 내경 (RadRI), Rotor 의 외경 (RadRO), Shaft 의 반지름 (Rshaft), 자석의 각도 (BetaM), 자석
의 옆면 길이 (Mflat), 직각으로 자른 자석 옆면의 길이 (Mflat2), 자석면의 왜곡율을 나타낸다.(Offset), Rotor 돌출부의 길이 (edgeH)