2.1 기존의 방사형 12/8 SRM

SRM을 차량용으로 적용한 사례는 방사형 구조인 방사형 12/8 SRM과 단일 고정자 횡축 12/10 SRM이 있다.

그림 1은 방사형 12/8 SRM의 시작품이며 선행 연구로 자동차 냉각팬에 적용하기 위해 제작하였다. 그림 2는 정격 부하 조건에서 12/8 SRM의 동적 특성을 FEA해석을 통하여 나타낸 결과이다. 정격전압은 11.5[V], 정격 전류는 50[A]이며 정격 속도 2,800[rpm]에서 해석하였다. 시뮬레이션은 0~4[ms]까지는 정지상태에서 정상상태로 가는 시간이며 정상상태로 동작하는 시간인 4[ms]부터 해석한 결과를 보여준다.

그림. 1. 방사형 12/8 SRM의 시작품

Fig. 1. Prototype of conventional radial 12/8 SRM

그림. 2. 정격 부하 조건에서 12/8 SRM의 동특성

Fig. 2. Dynamic characteristics of 12/8 at rated load

2.2 단일 고정자 횡축 12/10 SRM

방사형 전동기의 단점은 냉각팬에 적용되는 전동기 중에서 축방향 길이가 제한된 경우 더 좋은 성능을 제공할 수 없다. 기존의 방사형 12/8 SRM의 단점을 해결하기 위해 그림 4와 같은 하나의 고정자와 분절회전자를 가지는 횡축 12/10 SRM이 선행연구 되었다^[3].

외경, 스택 길이는 자동차 냉각팬에 사용되고 있는 BLDC 전동기와 비교하기 위해 같은 치수를 선정하여 설계하였다. 고정자, 회전자의 내경은 같게 설계 하였으며 고정자 극의 각도에 따라 회전자 사이의 길이가 정해졌다. 공극은 0.25[mm]이며 스택길이는 36[mm]이다. 그림 4는 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 시작품이다. 횡축 SRM의 장점을 검증하고자 제작을 하였으며 실험과 시뮬레이션을 비교하여 타당성을 검증하였다.

그림. 3. 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 형상과 자속경로

Fig. 3. Flux path of single stator axial field 12/10 SRM

그림. 4. 단일 고정자 횡축 12/10 SRM 시작품

Fig. 4. Prototype of single-stator axial field 12/10 SRM

그림 5는 정격 부하 조건에서 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 동적 특성을 나타낸 것이다. 정격 속도 2,800[rpm]에서 정격전압은 11.5[V], 정격전류는 50[A]이며 회전자의 위치에 따라 ON/OFF 제어를 통하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 6은 Z축 Force를 해석한 그림이며 비 정렬위치에서 정렬위치로 해석했으며 정렬위치에서 가장 높은 흡입력을 가졌다. 단일 고정자 횡축 12/10 SRM은 하나의 회전자를 가져 높은 편심이 발생되는데 이 편심을 줄이기 위한 새로운 구조물이 필요하다. 편심은 고정자에서 여자 되어 자속의 흐름이 회전자로 가는 방향이다. 한 상만 여자가 되었을 때 한 극에서 공극이 작아지면 작아진 공극에서 더 큰 편심이 발생하게 되고 다음 상을 여자할 경우 같은 현상이 발생하고 그 결과 고정자와 회전자가 부딪히는 현상이 발생한다.

그림. 5. 정격 부하에서 단일 고정자 횡축 SRM의 동특성

Fig. 5. Dynamic characteristics of AFSRM at rated load

그림. 6. 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 Z축 힘

Fig. 6. Z-Force of single stator axial field SRM

표 1은 기존의 방사형 12/8극 및 단일 고정자 횡축 12/10극의 SRM의 특성을 보여준다. 단일 고정자 횡축 12/10극의 SRM이 기존의 12/8 SRM보다 효율이 높음을 알 수 있다.

3.1 자속경로 및 토크 발생원리

그림 7은 이중 고정자를 갖는 횡축 12/10 SRM의 구조를 보여준다. 제안된 구조의 자속경로는 단일 고정자의 자속경로를 기반으로 하며 두 개의 고정자를 사용하기 때문에 양쪽의 각각 2개의 자속경로가 발생하며 총 4개의 자속경로가 발생한다. 이 자속경로는 토크 발생시 기존의 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 문제점인 편심을 극복할 수 있다. 단일 고정자 및 2중 고정자 횡축 12/10 극의 SRM과 비교하기 위해 외경, 스택, 턴 수는 동일하고 자속 포화 등을 고려하여 고정자 및 회전자 극 구조를 단일 고정자 횡축 12/10 극과 달리 설계하였다. 본 구조는 3상으로 고정자는 12극, 회전자는 10극을 가지며 자속은 주 극에서 보조 극으로 흐르는 방식이다.

그림. 7. 자속경로 및 토크 발생기구 설계

Fig. 7. Design of flux path and torque generating mechanism

3.2 개선된 이중고정자 형상 설계

정 토크 부분을 증가시키기 위해 기존의 직사각형 극의 슬롯 형상 대신 사다리꼴 형상의 고정자 극을 제안한다. 이는 고정자에서 회전자로 흐르는 자속의 흐름을 증가시키는 방법이다. 자속밀도는 동일 하지만 자속의 증가로 사용가능한 정 토크부분 또한 증가되어 전동기의 효율을 증가 시킨다. 그 예로 그림 8은 고정자 극의 형상이 변경될 때의 결과이다. 등가회로의 저항은 감소되고 회로의 자속은 증가 된다. 그 결과 토크가 증가되고 자기회로가 선형 동작 범위에 있을 경우 이러한 효과는 더욱 뚜렷하게 나타난다.

그림. 8. 고정자 극 형상과 토크

Fig. 8. Stator pole shape and torque

그림. 9. 1차 설계된 이중 고정자 횡축 12/10 SRM

Fig. 9. First designed double stator axial field SRM

그림. 10. 개선된 이중 고정자 횡축 12/10 SRM

Fig. 10. Improved double stator axial field SRM

그림. 11. 기존과 개선된 횡축 12/10 SRM 비교

Fig. 11. Conventional vs. improved axial field 12/10 SRM

그림 9는 1차 설계된 고정자 및 회전자 극을 보여준다. 고정자 극 구조의 슬롯이 직사각형을 갖는다. 그림 10은 제안된 이중고정자 구조를 보여준다. 고정자의 슬롯이 1차 설계된 구조와 달리 사다리꼴 형상을 갖는다. 고정자 극의 구조는 $\beta _ { s }$(tip)와 $\beta _ { s1 }$(base)의 비를 조절하여 자속의 흐름을 회전자 극으로 집중하도록 설계하였다. 주 극과 보조 극의 고정자 극이 다른 이유는 주 극의 자속의 흐름을 더 집중 하는 것과 슬롯 면적을 1차 고정자 극 구조와 동일하게 유지하기 위해서이다.

그림 11은 기존의 고정자 형상과 개선된 고정자 구조의 토크 및 인덕턴스를 특성을 비교하였다. 그림 11에서 기존의 경우보다 개선된 구조의 인덕턴스의 기울기와 정 토크 부분이 증가한 것을 알 수 있다.

그림 12는 기존의 고정자 형상과 개선된 고정자 형상의 정렬위치에서 자속흐름을 해석한 결과이다. 기존의 구조에 비해 개선된 구조의 경우 더 많은 자속이 흐르는 것을 확인할 수 있다.

그림. 12. 자속 해석결과

Fig. 12. Analysis result of flux path FEA

표 2는 고정자의 극이 직사각형일 때와 사다리꼴 형상의 구조일 때의 특성을 비교한 것이며 기존에 비해 개선된 구조의 제안된 사다리꼴의 형상의 효율이 3[%] 증가하였음을 알 수 있다.

3.3 적층 구조에 따른 특성 해석

3.3.1 권철심형 적층 구조

그림 13은 권철심형 횡축의 적층된 전체 및 고정자를 보여준다. 제안된 구조의 경우 권철심형 구조로 제작을 해야 자속이 횡축 방향으로 자속이 흐르게 되며 구조의 특성으로 일반적인 3상 12/8극 SRM보다 높은 토크 및 효율을 얻을 수 있다. 하지만, 권철심형 구조는 제작하기 어려운 문제점이 있다. 그림 14는 정격속도 2,800 [rpm], 정격전압 11.6[V],정격전류 50[A]에서 회전자 위치에 따라 스위치의 ON/OFF 제어를 통한 정상상태 해석 결과이다.

그림. 13. 권철심형 적층 구조 AFSRM

Fig. 13. Structure of wound laminated AFSRM

그림. 14. 정격 부하조건에서 권철심형 적층 구조 동특성

Fig. 14. Dynamic characteristics of wound laminated type

그림 15는 권철심형 이중 고정자 횡축 12/10 SRM의 Z축 가진력을 해석한 결과이다. 제안된 구조의 경우 단일 고정자 횡축 12/10 SRM과 달리 Z축의 가진력이 균형을 이루기 때문에 편심이 발생하지 않는 것을 알 수 있다.

그림. 15. 권철심형 적층 SRM의 Z축 힘

Fig. 15. Z-Force in wound laminated SRM

그림. 16. 방사형 적층 구조 AFSRM

Fig. 16. Structure of radial laminated AFSRM

그림. 17. 정격 부하 조건에서 방사형 적층구조 동특성

Fig. 17. Dynamic characteristics of radial laminated type

그림. 18. 적층에 따른 정특성 비교

Fig. 18. Static characteristics according to laminaion

표 3. 적층에 따른 전동기 특성

Table 3. Motor characteristics by laminated type

Parameter	Tape lamination	Radial lamination
Rated speed(RPM)	2800	$\leftarrow$
Rated torque(N.M)	1.72	1.2
Copper loss(W)	35.8	33.5
Core loss(W)	72	187.5
Output power(W)	503.96	351.6
Input power(W)	611.76	591.89
Efficiency(%)	82.3	59.4

4.1 시작 전동기

그림. 19. 이중 고정자 횡축 12/10 SRM 시작품

Fig. 19. Prototype of double stator 12/10 AFSRM

그림. 20. 실험 구성

Fig. 20. Experimental set_up

권철심형 적층 구조가 제작이 용이하지 않아 시작전동기는 방사형 적층 구조로 제작을 하였다. 그림 19는 고정자와 분절 회전자를 보여주며 이를 고정하는 재질은 비자성체 알루미늄 재질이며 이는 회전자의 무게와 관성을 감소시킨다.

4.2 인덕턴스 및 토크 측정 비교

전동기의 설계조건에서 정격토크는 1.7[Nm], 정격속도 2800 [rpm], 정격 전압 12[Vdc], 최대전류 110[A]이다. 그림 20은 시험환경을 보여준다. 인덕턴스와 부하 시험을 통해 효율을 측정하여 시험 결과와 시뮬레이션을 비교하여 설계의 타당성을 검증하고자 한다.

그림. 21. 시뮬레이션 대 실험 값

Fig. 21. FEA analysis vs. experiment result

그림 21(a)는 방사형 적층의 시뮬레이션과 실험을 비교하여 비 정렬위치 1.6[mH]에서 정렬위치 5.2[mH]까지 실험한 결과이며 시뮬레이션과 큰 오차가 없는 것을 확인할 수 있다. 그림 (b)는 전류에 따른 자화곡선을 보여주며 정렬위치 0°에서 비 정렬위치 18°까지 실험 결과를 보여준다. 그림 21의 굵은 선은 권철심형 적층의 시뮬레이션의 자속 쇄교수 이며, 제안된 전동기를 권철심형 적층 구조로 제작하였을 때 실험결과는 권철심형의 시뮬레이션 결과와 비슷하다.

여기서 $v(t)$는 위상 순시 전압, $R _ { s }$는 위상 저항, $i(t)$는 순시 전류, $\psi (t)$는 순시 자속 쇄교수이다.

제안된 전동기의 성능을 검증하기 위해 동적 시험도 진행하였다. 제어 방법은 속도제어를 기반으로 한다. 무부하 실험의 경우 PWM의 제어방식을 사용하고 전부하의 경우 선행각 제어방식을 사용한다. 그림 22는 제안된 전동기의 정격 속도 2800[RPM]에서 무부하와 최대 부하에서의 실험 결과를 보여준다. 그림 22의 (a)는 최대전류 40[A]이며 그림 22의 (b)는 토크 1.1[Nm]에서 최대전류 110[A], 전압11.5[V]의 실험 결과를 보여준다.

그림. 22. 제안한 시작 전동기의 구동시험

Fig. 22. Experiment results of proposed motor at rated speed

표 5는 시뮬레이션과 시험 결과의 효율을 비교하였다. 기존의 12/8 SRM과 단일 고정자 횡축 12/10 SRM의 효율은 약 1~2[%] 차이가 발생 하지만 제안된 이중 고정자는 4[%] 오차가 발생함을 알 수 있다.