브러시리스 영구자석 모터 설계(Ch. 1 기본 개념: 1.1-1.4)

이 장에서는 직감에 의존하는 여러 가지 기본 모터 개념을 설명합니다. 이러한 기본 모터 개념은 이후의 장에서 모터 설계에 사용될 때 더 이해하기 쉬울 것입니다. 여기에 제시된 많은 개념은 모든 모터가 유사한 재질(재료)로 구성되어 있으며 모두 동일한 출력, 즉 토크를 발생시키기 때문에 대부분의 모터 유형에 적용됩니다.

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1.1 범위

이 책에서는 회전 브러시리스 영구자석(PM) 모터의 분석 및 설계에 대해 다룹니다. 브러시리스 직류, 영구자석 동기 및 영구자석 스텝모터는 모두 브러시리스 영구자석 모터입니다. 이러한 특정 모터 유형은 시간이 지남에 따라 다양한 애플리케이션 틈새를 충족시키기 위해 발전했지만 작동 원리는 기본적으로 동일합니다. 따라서 이 책에서 제시된 자료는 세 가지 모터 유형 모두에 적용할 수 있으며 특히 브러시리스 직류 및 영구자석 동기 모터에 중점을 두었습니다.

이러한 모터 유형을 전체적인 관점에서 보려면, 그림 1-1에 표시된 것과 같이 전동기의 전체 분류에 맞는 위치를 나타내는 것이 유용합니다. 그림에 표시된 다른 모터는 본문에서 고려하지 않았습니다. 그것들의 작동 방식은 여러 다른 텍스트에서 찾을 수 있습니다.

브러시리스 직류(DC) 모터는 일반적으로 사다리꼴 역기전력(back EMF)을 갖는 것으로 특징 지어지며 일반적으로 직사각형 펄스 전류로 구동됩니다. 이것은 브러시 직류 모터의 작동 방식을 모방합니다. 이러한 관점에서 "브러시리스 직류"라는 이름은 교류(AC) 모터임에도 불구하고 적합합니다. 영구자석(PM) 동기 모터는 일반적으로 사인파 역기전력을 갖고 사인파 전류에 의해 구동된다는 점에서 브러시리스 직류 모터와 다릅니다. 스텝 모터는 일반적으로 극수가 많으므로 각 샤프트 회전마다 많은 여진 주기가 필요합니다. 다른 동기 모터처럼 구동 될 수 있지만, 일반적으로 전류 펄스로 구동됩니다. 스텝 모터는 일반적으로 위치 피드백 비용을 정당화할 수 없는 저비용, 대용량 위치 제어 애플리케이션에 사용됩니다.

Figure 1.1 A classification of motors. ​

 

1.2 형상

가장 일반적인 모터 형상은 그림 1-2a와 같은 원통형입니다. 이 모터 모양과 다른 모든 부품에는 두 가지 주요 부품이 있습니다. 비이동 또는 고정 부분을 고정자라고 합니다. 움직이는 부분 또는 회전하는 부분을 회전자라고 합니다. 대부분의 원통형 모터에서 회전자는 그림 1-2a와 같이 고정자가 내부에 나타납니다. 이 구조는 움직이지 않는 고정자를 외부에 배치하면 모터를 주변에 쉽게 부착할 수 있기 때문에 널리 사용됩니다. 또한 회전자를 고정자 내부에 가두는 것은 움직이는 회전자를 주위로부터 보호하기 위한 자연적인 차폐를 제공합니다.

원통형 외에도 모터는 여러 가지 다른 방법으로 구성할 수 있습니다. 몇 가지 가능성이 그림 1-2에 나와 있습니다. 그림 1-2a 및 1-2b는 두 개의 원통형 모양을 보여줍니다. 그림 1-2b와 같이 회전자가 고정자 바깥쪽에 나타날 때, 모터는 종종 내부 출력 모터라고 합니다. 이러한 모터의 경우, 자기장은 회전자와 고정자 사이의 공극을 가로 질러 반경 방향으로 이동합니다. 결과적으로 이들 모터를 방사형 자속(Flux) 모터라고 합니다. 팬 케익 형상을 갖는 모터가 그림 1-2c 및 1-2d에 보여진다. 이러한 축방향 자속 모터에서, 회전자와 고정자 사이의 자기장은 축방향으로 이동한다.

Figure 1-2.  Motor construction Possibilities.

 

브러시리스 영구자석 모터는 그림 1-2에 나와 있는 모든 형태와 다른 많은 창의적인 형태로 제작할 수 있습니다. 모든 브러시리스 영구자석 모터는 고정자의 전기 권선과 회전자의 영구 자석으로 구성됩니다. 이러한 구성은 브러시리스 영구자석 모터의 인기가 높아지는 주요 원인 중 하나입니다. 권선이 정지 상태로 유지되기 때문에 잠재적으로 문제가 되는 움직이는 전기 접점, 즉 브러시가 필요하지 않다. 또한, 고정 권선은 시원하게 유지하기가 더 쉽습니다.

그림 1-2에 도시된 공통 원통형은 그림 1-3에 도시된 원통형 좌표계를 사용한다. 여기서 r-방향은 반경방향, z-방향은 축방향, ​θ-방향은 접선 방향 또는 원주 방향이라고 부릅니다.

Figure 1-3. The cylindrical coordinate system.

1.3 토크

모든 모터는 토크(추력)를 발생시킵니다. 토크는 접선 방향의 힘과 그것이 작용하는 반경의 곱에 의해 주어지며, 따라서 토크는 힘의 길이 단위 길이, 예를 들어 ozf·in, lbf·ft 또는 N·m을 갖는다. 이 개념을 이해하려면 그림 1-4에 표시된 너트의 렌치를 고려하십시오. 너트의 중심으로부터 거리 r을두고 접선 방향으로, 즉 손잡이에 수직인 방향으로 힘 F가 가해지면, 볼트에 의해 경험된 비틀림 힘 또는 토크는

 

Figure 1-4. A wrench on a nut.

이 관계는 렌치의 길이가 두 배가 되고 거리 2r에서 동일한 힘이 가해지면 너트가 겪는 토크가 배가 된다는 것을 의미합니다. 마찬가지로 렌치를 2배 단축하고 동일한 힘을 가하면 토크가 절반으로 줄어 듭니다. 따라서 고정된 힘은 적용되는 반지름이 최대가 될 때 가장 큰 토크를 발생시킵니다. 또한, 접선 방향으로 작용하는 힘만이 토크를 생성합니다. 힘이 외부 반경 방향으로 가해지면 렌치가 너트에서 간단히 빠져나오고 너트에 의한 토크는 발생하지 않습니다. 적용된 힘의 방향을 고려하면 토크는 T = Fr · sinθ으로 표현될 수 있습니다. 여기서 θ 은 반경 방향에 대해 힘이 가해지는 각도입니다.

이 토크의 개념은 녹슨 너트를 느슨하게 하려고 시도한 사람에게 의미가 있습니다. 렌치가 길수록 너트를 느슨하게 하는 데 필요한 힘이 적습니다. 그리고, 렌치에 가해지는 힘은 원주 방향, 즉 그림 1-4에 도시된 바와 같이 너트를 중심으로 하는 원에 접선 방향인 경우에 가장 효율적이다. 분명히 힘이 바깥 쪽 반경 방향으로 가해지면 너트에 토크가 발생하지 않고 렌치가 너트에서 빠져나옵니다.

 

1.4 모터 작동

토크 생산에 대한 이해를 통해 이제 브러시리스 영구 자석 모터의 작동 원리를 설명할 수 있습니다. 필요한 것은 자석이 철에 끌리는 초보적인 지식, 자석 극이 끌어당기는 자석 극이 서로 물리기 때문에 권선 코일에 흐르는 전류가 전자석을 만드는 것입니다.

그림 1-5와 같이 고정 철 링을 중심으로 한 막대 영구 자석을 생각해보십시오. 그림에서 막대 자석은 자유롭게 중심을 중심으로 회전할 수 있지만 고정되어 있습니다. 자석은 회전자이고 철 링은 고정자이며 공극으로 분리됩니다. 그림에 도시된 바와 같이, 자석은 임의의 바람직한 휴지 위치를 갖지 않는다. 각 끝단은 자석의 특정 방향의 기능이 아닌 링과 동일한 반경 방향의 인력을 경험합니다. 자석은 순수한 힘을 겪지 않으므로 토크가 생성되지 않습니다.

Figure 1-5. A magnet free to spin inside a steel ring.

다음으로 그림 1-6과 같이 두 개의 돌출부 또는 극점을 갖도록 철 링으로 교체하십시오. 이전과 같이 자석의 각 끝은 동등하지만 반대 방향의 반경 방향 힘을 경험합니다. 그러나 자석이 천천히 회전하면 θ = 0° 또는 θ = 180°에서 정렬된 위치에 놓이는 경향이 있습니다. 즉, 자석이 회전할 때 고정자 극과 자석을 정렬시키려는 힘이 발생합니다. 자석과 철 사이의 인력이 극적으로 증가하기 때문에 발생합니다. 자석은 자유롭게 회전하기 때문에 이 힘은 부분적으로 접선 방향에 있고 토크가 발생합니다.

Figure 1-6. A magnet free to spin inside a steel ring having two poles.

그림 1-7은 이 토크를 모터 위치에 따라 그래프로 나타냅니다. 토크가 0 인 위치를 멈춤쇠 위치라고 합니다. 자석이 극과 정렬되면, 작은 장애가 발생하면 자석이 정렬된 위치로 복원됩니다. 따라서 이러한 멈춤쇠 위치는 안정적이라고 합니다. 반면, 자석이 극 사이의 중간에 있을 때, 작은 외란은 자석이 정렬되지 않은 위치에서 멀어 지도록하고 정렬을 찾습니다. 따라서 정렬되지 않은 멈춤쇠 위치는 불안정하다고 합니다. 멈춤쇠 토크의 모양은 그림 1-7에서 대략 정현파이지만 실제 모터에서는 그 모양이 모터 기하학 및 재료 특성의 복합 함수입니다.

Figure 1-7. Torque experienced by the magnet in Fig. 1-6.

여기에 설명된 토크는 공식적으로 자기저항 토크라고 하며 좀 더 일반적으로 코깅 토크라고 합니다. 대부분의 어플리케이션에서 코깅 토크는 바람직하지 않습니다.

이제 코일에 전류가 흐르면 코일은 전자석이 됩니다. 특히 전류가 올바른 방향으로 가해지면 그림 1-8과 같이 극이 자화됩니다. 이 상황에서 막대 자석과 반대쪽 전자석 극 사이의 인력은 정식으로 상호 또는 정렬 토크라고하는 또 다른 유형의 토크를 생성합니다. 이 토크는 브러시리스 영구 자석 모터에서 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 상호라는 용어는 토크를 생성하는 자극 사이의 상호 인력이기 때문에 사용됩니다. 인력의 힘이 막대 자석과 코일로 생성된 자석 막대를 정렬하려고 하므로 정렬이라는 용어가 사용됩니다.

Figure 1-8. Current-carrying windings added to Fig. 1.6.

이 토크는 반발 토크라고도 할 수 있는데, 반대 방향으로 전류를 가하면 그림 1-9와 같이 극이 반대 방향으로 자화되기 때문입니다. 이 상황에서 같은 극은 반발하여 바 자석을 반대 방향으로 보냅니다. 이 시나리오들 모두는 자극의 상호 작용을 포함하기 때문에 토크 메커니즘은 동일하며 반발 토크라는 용어는 사용되지 않습니다.

Figure 1-9. Current flow in the opposite direction compared to Fig. 1.8.

막대 자석을 연속적으로 회전시키려면 두 세트 이상의 코일을 사용하는 것이 일반적입니다. 그림 1-10은 3 세트의 코일이 사용된 경우를 보여줍니다. 이러한 세트를 위상 권선 또는 단순히 권선이라고합니다. 그림에서 위상은 A, B 및 C로 표시되어 있습니다. 오버 바가 있는 위상 레이블은 단순히 반대 자석 극이 회전자 자석과 마주 보게 생성되는 것을 나타내는 데 사용됩니다. 막대 자석을 끌어당기고 고정시키는 고정자에 전자석 극을 생성함으로써, 막대 마그넷은 정류라고 불리는 과정에서 연속적으로 통전 및 통전을 중단시킴으로써 회전할 수 있습니다.

Figure 1-10. A motor structure having three phases.