브러시리스 영구자석 모터 설계(Ch. 5 모터 설계 가능성)
이 장에서는 많은 다른 브러시리스 영구 자석 모터 구조의 특징을 설명합니다. 수많은 가능성이 있기 때문에 모든 것을 엄격하게 분석할 수는 없습니다. 가장 일반적인 구조만이 이후 장에서 분석됩니다. 대부분의 구조에서는 변형된 표현을 대체 구조에 적용하기 위해 기하학적 매개 변수를 수정하는 것만으로 충분합니다.
5.1 방사형 자속 모터
내부 회전자
대부분의 모터에서 자속은 회전자에서 고정자로 반경 방향으로 교차합니다. 이 모터 중 대다수는 내부 회전자와 외부 고정자를 가지고 있습니다. 4장에서 고려된 모터는 내부 회전자를 가진 방사형 자속 모터이다. 이 시점까지 고려한 회전자는 표면 장착 자석을 가지고 있지만, 유일한 가능성은 아닙니다. 그림 5-1은 다양한 내부 회전자 유형을 보여줍니다.
도시된 회전자 중 4개, 그림 5-1a-d는 표면 장착된 자석의 변형을 도시한다. 전통적인 방사형 아크 자석 모양은 그림 5-1a에 나와 있습니다. 그림 5-1b는 자석의 측면이 방사형이 아닌 평행한 것을 제외하고는 유사합니다. 또 다른 대안이 그림 5-1c에 도시되어 있는데, 측면은 평행하고 바닥은 평평하다. 이 자석 모양은 종종 빵 껍질에 구운 빵 한 조각과 닮았 기 때문에 빵 껍질이나 단순히 덩어리라고 불립니다. 자석 모양은 Fig. 5-1b 및 5-1c는 주로 제조상의 이유로 나타납니다. 이러한 모양은 직사각형 자석 소재 블록으로 시작하여 쉽게 만들 수 있습니다. 자석 재료가 소결되기보다는 결합될 때, 회전자 자석은 종종 그림 5-1d에 도시된 바와 같이 자석 재료의 고체 링으로 형성된다. 이 경우 회전자 멍에를 조립한 후 회전자를 자화 시켜서 자극을 생성합니다. 그림 5-1의 나머지 두 개의 회전자 단면은 두 개의 일반적인 내부 영구 자석 회전자를 보여줍니다. 그림 5-1e에 도시된 회전자는 스포크 구성으로 알려져 있다. 이러한 구성은 자석 표면적이 회전자 표면적보다 크기 때문에 자속 농도를 촉진시킨다. 이 회전자 타입은 페라이트 자석 소재의 성능을 향상시키는 데 유용하며 직사각형 블록 자석을 사용하는 이점이 있습니다. 그림 5-1f에 표시된 최종 회전자에는 자석이 매립되어 있다. 이 구조는 직사각형 자석이 완전히 단단한 회전자 구조로 둘러싸이기 때문에 고속 작동에 유리합니다. 내부 영구 자석 회전자가 직사각형 자석의 사용을 지원하는 동안, 회전자 표면에서의 강자성 물질의 존재는 공극 인덕턴스를 극적으로 증가시킨다. 또한, 생산된 토크에 자기저항 요소를 추가합니다.
그림 5-1에 표시된 표면 장착형 자석 회전자는 압도적인 용도로 사용됩니다. 그림 4 및 그림 5에 도시된 자석들 간의 차이점은 다음과 같다. 5-1a ~ 5-1c는 자석 극수가 적을 때 중요하지만 자석 극수가 많을수록 작아진다.
일반적으로 자석의 모양이 자화의 방향을 결정한다고 가정합니다. 즉, 그림 5-1a에 도시된 방사형 아크 자석의 자화는 반경 방향이고, 그림 5-1b 및 그림 5-1c에 도시된 자석의 에지에 평행하게 직선 통과한다. 이러한 가정은 경우에 따라 다를 수 있지만 자화 방향은 자석을 자화시키는 고정 장치에 의해 결정됩니다. 어쨌든, 자화 방향은 자석 극수가 증가함에 따라 모터 성능에 덜 영향을 미친다.
내부 회전자 모터용 고정자는 두 가지 일반적인 형태로 나타납니다. 기본적으로 고정자는 그림 5-2a과 그림 5-2b에서 볼 수 있듯이 슬롯 형 또는 슬롯리스 형일 수 있습니다. 슬롯형 고정자는 투자율 계수를 만드는 작은 자기 공극을 가지고, 결과적으로 공극 자속 밀도가 커집니다. 또한, 권선과 고정자 강자성체 사이의 큰 접촉 영역은 권선으로부터 외부 고정자 표면으로의 양호한 열전도를 촉진하여 용이하게 제거될 수 있다. 코깅 토크 및 작은 슬롯 개구를 통해 권선을 삽입하는 비용은 슬롯형 고정자의 단점입니다.
그림 5-2b에 도시된 슬롯리스 고정자에서, 권선은 고정자 요크 내부에 끼워지고 작은 물리적 공극에 의해 회전자로부터 분리되는 링으로 형성된다. 이러한 구조는 회전자 자석에 의해 나타나는 자기저항은 위치에 따라 변하지 않기 때문에 코깅 토크를 나타내지 않는다. 슬롯리스 모터에 권선을 위한 공간이 더 있지만 외부 고정자 표면에 대한 열전도율이 감소하면 권선에서 허용 가능한 전류 밀도가 감소합니다. 슬롯리스 케이스의 경우, 자기 에어 갭은 물리적 인 에어 갭과 권선의 반경 방향 두께를 포함합니다. 이는 자석 재료의 품질이나 양이 극적으로 증가하지 않는 한 투자율 계수와 공극 자속 밀도를 낮춥니다. 결과적으로, 슬롯리스 고정자 구성을 사용하는 모터의 성능은 슬롯 고정자를 갖는 동등한 모터의 성능보다 거의 항상 훨씬 낮습니다.
그림 5-2c에 도시된 고정자는 슬롯 개구를 갖지 않는다. 오히려, 고정자 톱니는 내부 반경에서 연결되거나 가교되고 외부 고정자 요크에서 끝납니다. 이러한 구성은 권선이 내부의 작은 슬롯 개구를 통해 삽입되는 것이 아니라 외부로부터 고정자 치형 위로 삽입되기 때문에 모터를 감는 것을 용이하게 한다. 권선이 삽입된 후, 고정자는 고정식 고정자 요크에 삽입된다. 이러한 제조 이점을 얻기 위해, 이 구조는 자기적으로 고통을 겪습니다. 브리지된 슬롯 개구부는 슬롯 누설 인덕턴스를 크게 증가시킵니다. 또한, 코일에서 일부 자속을 빗나가게 하여 코일 쇄교 자속 및 그에 따른 역기전력을 감소시킵니다. 또한, 치가 고정자 요크와 만나는 곳에 작은 공극이 도입된다. 브리지 된 슬롯 개구부의 영향을 최소화하기 위해 브리지의 반경 방향 치수는 제조가 허용하는 한 작게 만들어야 합니다. 또한, 톱니 조립체는 외부 고정자 요크 내에 단단히 동심원으로 맞아야 합니다.
외부 회전자
내부 회전자를 가진 모터의 압도적인 보급에 대한 몇 가지 이유가 있습니다. 이러한 이유는 권선이 외부에 있기 때문에 열 제거가 쉽고, 회전 요소가 봉쇄되어 있기 때문입니다. 일부 용도에서는 이러한 특성이 그림 5-3과 같이 외부 회전자 및 내부 고정자를 사용함으로써 얻게 되는 이점만큼 중요하지 않습니다. 이러한 구성을 갖는 모터는 때로 인 아웃 모터 (in-out motors)라고 불린다. 바깥쪽 로터 모터는 하드 디스크 드라이브 용 스핀들 모터 및 CPU 및 컴퓨터 케이스를 식히는 데 사용되는 팬과 같은 환기 팬용 드라이브 모터로 가장 일반적으로 사용됩니다. 이러한 어플리케이션에서 모터는 더 큰 구조의 통합된 부분이 됩니다.
개별 자석을 외부 회전자 모터에 사용할 수 있지만 그림에 표시된 대로 회전자 컵 내부에 단일 본드 자석 링을 사용하는 것이 일반적입니다. 고정자 치가 바깥쪽으로 향하기 때문에 이 모터는 상대적으로 바람이 잘납니다. 주어진 외부 반경에 대해, 외부 회전자 모터는 내부 회전자 모터의 것보다 훨씬 큰 공극 반경을 갖는다. 결과적으로 고정자 권선이 흩어 질 수 있는 오믹 손실을 제공한다면 높은 토크를 얻을 수 있습니다.
5.2 축방향 자속 모터
회전 운동은 권선 및 자기장의 방향을 바꿔서 얻을 수 있습니다. 방사형 자속 모터에서, 권선은 축 방향을 따라 배향되고, 자속은 반경 방향으로 흐른다. 축 방향 자속 모터에서 자속은 축 방향으로 흐르고, 권선은 그림 5-4와 같이 반경 방향을 따라 배향됩니다. 평평한 외형 때문에 축 방향 자속 모터는 비공식적으로 팬케이크 모터라고 불립니다. 그림 5-4는 극성이 교대로 나타나는 회전자의 모습을 보여줍니다. 이러한 자석은 그림 5-4b와 같은 방사상 슬롯의 권선과 상호 작용하는 축 방향 자속을 생성합니다.
많은 어플리케이션에서 그림 5-4c와 같이 하나의 회전자가 하나의 고정자에 결합됩니다. 이 구성은 간단하지만 불균형입니다. 토크 이외에, 이 구성은 회전자 자석이 공극을 닫으므로 매우 높은 축 방향 힘을 나타냅니다. 그림 5-4d에 도시된 바와 같이 회전자 요크를 제 2고정자로 변환함으로써 회전자 힘이 균형을 이룬다. 이 구성은 두 개의 고정자 사이에 하나의 회전자를 끼워 넣음으로써 모터 성능을 향상시킵니다.
플로피 디스크 스핀들 드라이브와 같은 특수한 응용 프로그램을 넘어서는 축 방향 모터는 널리 사용되지 않습니다. 주요 원인은 고정자 구조입니다. 자속은 축 방향으로 흐르기 때문에 고정자는 반경 방향으로 적층되어야 합니다. 즉, 고정자는 종종 강자성 리본을 동심원으로 권선하여 구성됩니다. 이 구조는 서로 점점 거리가 멀어 지도록 슬롯을 정렬합니다. 결과적으로 고정자 제작 시간과 비용이 크게 증가합니다. 이것은 라미네이션 스탬핑 공정의 일부로 슬롯이 절단되는 방사형 자속 모터의 라미네이션과 많이 다릅니다. 축 방향 자속 모터는 공간 제약으로 인해 이동식 매체 컴퓨터 드라이브용 스핀들 모터로 사용됩니다. 이러한 어플리케이션에서 고정자 권선은 인쇄 회로 기판에 직접 장착되어 번거로운 적층 고정자를 제거합니다. 이러한 방식으로 제작된 모터는 흔히 인쇄 회로 기판 모터라고 합니다.
5.3 리니어 모터
모터가 토크를 발생시켜야 하는 이유는 없습니다. 많은 어플리케이션에서 원하는 모션은 회전이 아닌 선형입니다. 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는데 변속기를 사용할 수는 있지만 백래시 및 관성을 최소화해야 하는 애플리케이션에서는 직접 직선 운동을 생성하면 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다.
가장 단순한 선형 모터는 그림 5-5와 같이 코일을 포함하는 치 부분과 교류 극성 자석이 반복되는 순서와 일치합니다. 이 구성은 높은 힘 밀도를 가질 수 있지만 본질적으로 매우 높은 흡인력을 나타낸다.
응용 분야에 따라 모터의 일부가 움직일 수 있습니다. 즉, 일부 응용에서는 자석이 회전자일 수 있는 반면, 다른 경우에는 권선이 회전자 일 수 있다. 전체 이동 거리가 짧은 어플리케이션에서는 자석을 고정하고 코일 구조가 움직이도록 하는 것이 일반적입니다. 이들은 움직이는 코일 디자인입니다. 이것은 움직이는 와인딩에 전력을 공급하기 위해 케이블 링이 필요하지만 필요한 코일의 수를 최소화합니다. 총 주행 거리가 늘어남에 따라 자석 비용이 많이 들고 구성이 뒤집어집니다. 자석이 움직이고 고정 코일이 이동 경로를 따라갑니다. 이러한 이동식 자석 설계에서는 모든 코일을 사용하면 효율을 크게 떨어 뜨리기 때문에 힘을 발생시킬 수 있는 코일 섹션 만 활성화하는 것이 일반적입니다.
또한, 그림 5-5의 단순한 구조에 선형 모터는 코일 구조가 두 열의 자석으로 끼여 지거나 한 열의 자석이 두 개의 코일 구조 사이에 끼 이는 균형 잡힌 힘 구조에서 사용할 수 있습니다. 이러한 구조는 그림 5-6에 설명되어 있습니다. 일부 선형 모터는 무철도로 분류되며, 이 경우 권선 구조에는 강자성 재료가 포함되어 있지 않습니다. 움직이는 코일 디자인의 경우, 이는 질량을 줄이고 가속 기능을 최대화합니다.
5.4 요약
브러시리스 영구 자석 모터는 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. 회전 운동을 일으키는 모터는 내부 또는 외부 회전자를 가질 수 있습니다. 고정자는 슬롯형 또는 슬롯리스형 일 수 있습니다. 회전자상의 자석의 형상 및 배치는 다양한 형태를 취할 수 있다. 축 방향 공간이 제한적일 때, 축 방향 자속 또는 팬케이크 모터가 때때로 실행 가능해진다. 고성능 직선 운동이 필요한 경우 선형 모터 구조로 직선 운동을 직접 생성하는 것이 가장 좋은 선택이 됩니다.
본문에서는 이 장에서 설명한 모든 설계 변형을 엄격하게 고려하는 것은 불가능합니다. 그러나 여기에 포함된 분석은 적절한 기하학적 변형을 가진 설계 변형에 적용됩니다. 시장에서의 지배력 때문에, 다음 장에서는 자석 장착형 방사형 자속 모터에 초점을 맞춥니다.
