신진영
(Jin-Yeong Shin)
1iD
권순오
(Soon-O Kwon)
2iD
이호영
(Ho-young Lee)
2iD
이기주
(Gi-Ju Lee)
2iD
윤승영
(Seung-young Yoon)
2iD
최홍순
(Hong-Soon Choi)
†iD
-
(School of Electronic and Electrical Engineering, Kyungpook National University, Korea
E-mail:ilshin@ilshinmotor.co.kr)
-
(Advanced Mechatronics R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
LATM, LAT motor, torque motor, voice coil, torque actuator, torque density
1. Introduction
최근 민간 유인 우주선 발사 성공으로 우주/항공 분야의 기술 연구는 갈수록 뜨거워지고 있다. 로켓 분야의 경우 현재 기술로는 1kg당 2천만원을 상회하는
발사비용이 요구된다. 이러한 이유로 구성품 각각의 중량 절감이 중요한 해결 과제이다. 토크모터(LATM)는 ±90° 미만의 각도로 회전하는 전자기
액추에이터이다(1). LATM은 높은 토크, 높은 출력 밀도, 고효율 및 긴 수명을 포함하여 많은 이점을 가지고 있다(2). 따라서 안정성과 신뢰성이 요구되는 항공우주 및 국방 분야에서 널리 사용되고 있다(3). 3상 작동을 위해 권선되는 BLDC 모터와 달리 LATM은 인버터가 필요하지 않으며 DC 전압,전류를 인가하여 토크를 만든다. LATM은 토크
발생원리에 따라 영구자석(PM)형과 릴럭턴스형으로 분류된다. 영구자석형에서 LATM 로터는 영구자석으로 만들어지며 영구자석형 LATM은 슬롯이 없고
소형화에 유리하다. 따라서 토로이달 방식으로 권선이 되며(4) 영구자석이 로터에 위치한다(5)(6). 반면 릴럭턴스 방식의 LATM은 영구자석이 없는 자성체로 된 스테이터, 로터 사이의 릴럭턴스 토크를 이용하여 동작한다. 본 연구에서는 영구자석형과
릴럭턴스형 LATM 모터의 장점을 결합한 하이브리드 LATM 모터를 제안하고 각각 시작품의 시험을 통해 성능을 검증한다.
2. 기호 및 약어
⦁T 토크, [gf·cm]
⦁ωm 회전자의 회전각속도, [rad/s]
⦁Wfm 자계 에너지, [J]
⦁μ0 진공의 투자율, [J]
⦁B 자속밀도, [T]
⦁va 전기자 권선 인가 전압, [V]
⦁Ra 전기자 권선의 저항, [Ω]
⦁ia 전기자 권선의 전류, [A]
⦁La 전기자 권선의 인덕턴스, [H]
⦁ea 유기기전력, [V]
⦁ke 역기전력 상수, [Vs/rad/Wb]
⦁Φf 계자자속, [Wb]
⦁kT 토크 상수, [Nm/Wb/A]
3.릴럭턴스 타입과 영구자석 타입 LATM 비교
3.1 릴럭턴스형 LATM 구동 원리
릴럭턴스 방식의 LATM은 PM을 사용하지 않고 자성체로 된 스테이터와 로터의 자기 릴럭턴스 차이로 동작한다. 보이스 코일 형태로 감겨 있으며,
자속이 모터를 통해 축방향으로 흐르면서 릴럭턴스 토크를 발생시키며 식(1)로부터 유도된다.
회전자와 고정자가 정렬되지 않으면 긴 자속 경로로 인해 높은 릴럭턴스가 발생한다. 정렬된 극의 경우 자속 경로가 짧아지고 낮은 릴럭턴스가 발생한다.
여기서 자속원은 권선 내부에 저장된 자기에너지이며, 자기에너지를 운동에너지로 변환하기 위해 자극에 관계없이 자기저항이 낮은 경로를 갖도록 회전자가
움직인다. 동일한 전류로 공극이 작으면 더 큰 쇄교 자속을 얻을 수 있다. 릴럭턴스 토크는 공극면적이 최대화되고 릴럭턴스 방향으로 릴럭턴스 토크가
생성되는 Z축 회전에서
식(2)와 같이 생성된다.
전류가 인가된 후 릴럭턴스가 감소하는 방향으로 회전자의 변화가
그림 1에 나와 있다.
그림. 1 릴럭턴스형 LATM 회전자 변화
Fig. 1 Variation of reluctance type rotor
3.2 영구자석형 LATM 구동원리
전기자 권선에 인가되는 전압 va는 권선저항과 인덕턴스의 전압강하 성분 및 유기기전력의 합으로 다음 식(3) 과 같이 표현된다.
식(2-
5)
자기장이 형성된 공간에서 자기장과 수직방향으로 움직이고 있는 도체에 유기되는 기전력은
식(2-
5)과 같이 표현되며
이로부터 자계가 형성되어 공간내에 ωm[rad/s]의 각속도로 회전하고 있는 전기자 도체에 유기되는 직류기기의 유기 기전력은
식(5),(6)과 같이 표현 할 수 있다.
직류기기에 전기자 전압 va를 인가하여 전기자 권선에 전류 ia가 흐르는 경우 발생하는 토크는
식(7)과 같이 표현 할 수 있다.
전류가 인가되면
그림 2과 같이 고정자 코어에 자극이 형성되어 회전자 위치에 따른 토크 변화가 나타난다.
그림. 2 영구자석형 LATM 회전자 변화
Fig. 2 Variation of PM type rotor
3.3 릴럭턴스형, 영구자석형 LATM 권선패턴 비교
그림 3은 각 토크 모터의 전기자 권선을 타나낸다. 릴럭턴스 형은 voice coil type 권선을 채택하여 높은 도체 점적율을 가지며, 영구자석형은 토로이달
권선으로 voice coil type에 비해 상대적으로 낮은 점적율을 가진다. 또한 토로이달 권선은 고정자 코어의 외측에 권선 되어지는 코일은 출력
토크에 기여하지 않으므로 권선의 이용율 또한 낮다.
그림. 3 (a)릴럭턴스형 (b)영구자석형 LATM 구조 및 권선패턴 비교
Fig. 3 Comparison of structure and winding pattern with (a)Reluctance Type (b) PM
Type LATM
표 1은 릴럭턴스형과 영구자석형 LATM의 설계 사양을 나타내며 도체의 점적율은 각각 40%, 22% 이다. 도체의 직경을 증가시킬 수 있으므로 동일한
턴수를 유지하면서 저항을 감소시킬 수 있다.
표 1 릴럭턴스형, 영구자석형 LATM 설계사양
Table 1 Design specification of reluctance and PM type
|
구분
|
단위
|
릴럭턴스형
|
영구자석형
|
|
작동범위
|
deg
|
±30
|
|
고정자
|
외경
|
mm
|
28
|
|
각
|
deg
|
-
|
90
|
|
회전자
|
외경
|
mm
|
17
|
14
|
|
각
|
deg
|
90
|
-
|
|
권선
|
턴수
|
-
|
500
|
720
|
|
점적률
|
%
|
40.0
|
22.2
|
3.4 릴럭턴스형, 영구자석형 LATM FEM 해석 및 결과
설계사양을 바탕으로 FEM(Finite Elements Method) 해석 후 평균 토크 및 최대토크를 그림 4에 비교하였다. 본 논문의 목적인 하이브리드형 LATM 형상을 고려해 모든 FEM은 3차원 모델로 진행 하였으며, 전류원 해석으로 DC 전류 1A를
인가하여 해석을 진행 하였다.
그림. 4 각 LATM FEM 해석 결과
Fig. 4 FEM result of each LATM
표 2에서 FEM 결과를 나타내었다. 영구자석형이 릴럭턴스형보다 출력 토크가 약 2배 정도 높은 것을 확인 할 수 있다. 릴럭턴스형은 고정자 Pole과
회전자 사이의 공극이 0.2~0.5mm 로 매우작아 회전자 틸팅이나 가공공차로 등으로 공극을 일정하게 만드는 것이 어려워 성능에 편차가 커질 수 있는
단점이 있으며, 영구자석형은 토로이달 권선 방식을 사용하여 권선이 어렵고 점적률을 높게 설계 할 수 없어 성능 개선 시 영구자석 성능을 향상시키는
것 외는 설계 한계가 있다.
표 2 각 LATM FEM 해석결과 비교
Table 2 Comparison of each LATM FEM result
|
구분
|
단위
|
릴럭턴스형
|
영구자석형
|
|
평균 토크
|
gf.cm
|
95.04
|
194.63
|
|
최대 토크
|
99.88
|
205.41
|
4. 하이브리드 LATM
4.1 하이브리드 LATM 정의 및 형상
본 장에서는 앞서 언급한 영구자석형과 릴럭턴스형 각각의 장점을 결합한 하이브리드 형태로 회전자는 에너지밀도가 높은 영구자석을 사용하고 고정자는 점적률을
극대화 할 수 있는 Voice coil 권선방식을 사용하여 새로운 형태의 LATM을 제안하였다. 각각의 구조는 그림 5와 같다.
그림. 5 하이브리드형 LATM 구조도
Fig. 5 Structure of hybrid type LATM
전기자 권선에 전류가 인가되면 영구자석과 대치하고 있는 코어에 각각 N/S 극이 생성되고
그림 6과 같이 회전자의 위치에 따른 토크가 발생된다.
그림. 6 하이브리드형 LATM 자속 경로
Fig. 6 Flux path of hybrid type LATM
4.2 하이브리드 LATM 정의 및 형상 설계
하이브리드형 LATM과 비교를 위해 토크가 높은 PM형 LATM을 선택했다. 전체 체적은 동일하게 유지하여 설계하였고 출력 토크를 비교하였다. 점적률은
모든 코일이 권선 영역의 중심에 감겨 있다는 가정을 사용하여 계산했다. 권선 저항을 동일하게 맞추기 위해 영구자석형은 Ø0.14코일이 650턴, 하이브리드형은
Ø0.18 코일로 325턴 감았다. 설계 사양은 표 3과 같이 설계하였다. 하이브리드형은 영구자석형 대비 60% 이상 더 높은 점적률을 가진다.
그림. 7 하이브리드형 LATM 회전자 변화
Fig. 7 Variation of hybrid type rotor
그림. 8 (a)하이브리드형 (b)영구자석형 LATM의 설계
Fig. 8 Design specification of each LATM
표 3 하이브리드형, 영구자석형 LATM 설계사양
Table 3 Design specification of each LATM
|
구분
|
단위
|
하이브리드형
|
영구자석형
|
|
동작구간
|
deg
|
±30
|
|
하
우
징
|
직경
|
mm
|
28
|
|
재질
|
-
|
S45C
|
SUS630
|
|
회
전
자
|
직경
|
mm
|
14
|
|
영구
자석
|
-
|
N50 (NdFeB)
|
|
권선
|
턴수
|
-
|
325
|
650
|
|
직경
|
mm
|
0.18
|
0.14
|
|
저항
|
ohm
|
15.7
|
표 4 하이브리드형, 영구자석형 LATM 설계스펙
Table 4 Design specification of each LATM
|
구분
|
권선영역
[mm2]
|
코일영역
[mm2]
|
점적률
[%]
|
|
하이브리드형
|
25.76
|
8.29
|
32.1
|
|
영구자석형
|
25.91
|
5.02
|
19.3
|
4.3 하이브리드 LATM FEM 해석 결과 비교
영구자석형 모델은 3장의 모델과 동일하며, 하이브리드형도 동일조건에서 FEM 해석을 진행했으며 회전자 위치에 따른 토크는 그림 9와 같다.
그림. 9 하이브리드형, 영구자석형 LATM FEM 결과
Fig. 9. FEM result of each LATM
표 5는 각각의 평균토크와 최대토크를 나타내었고, 하이브리드형 LATM의 토크가 영구자석형 보다 약 48% 높은 것을 알 수 있다.
표 5 각 LATM의 FEM 토크 비교
Table 5 Comparison of each LATM torque result
|
구분
|
단위
|
하이브리드형
|
영구자석형
|
|
평균토크
|
gf.cm
|
281.9
|
190.0
|
|
최대토크
|
286.9
|
193.3
|
5. 시작품 제작 및 토크 시험
5.1 LATM 시작품 제작 및 시험
영구자석형, 하이브리드형 LATM의 시작품은 그림 10과 같다. 하이브리드 형의 경우 정렬 권선을 위해 두꺼운 플라스틱 보빈을 사용하였고, 영구자석형은 절연지를 사용하였다. 영구자석형의 경우 토로이달
권선의 경우 코일이 감기는 코어 내측과 외측의 길이가 각각 달라 정렬 권선이 어려워 높은 점적율을 얻기 어려운 단점이 있다.
그림. 10 (a)하이브리드형, (b)영구자석형 LATM 시제품
Fig. 10 Each LATM Prototype
그림 11은 하이브리드형과 영구자석형 LATM의 전기자 권선 저항 측정결과를 나타내고,
표 6은 각각의 계산치와 측정치를 나타낸다.
그림. 11 각 시작품 저항 측정
Fig. 11 Resistance test of each prototype
표 6 각 시작품 저항 측정
Table 6 Resistance test of each prototype
|
내용
|
|
구분
|
단위
|
하이브리드형
|
영구자석형
|
|
계산치
|
ohm
|
15.7
|
15.7
|
|
측정치
|
15.9
|
15.6
|
|
오차
|
%
|
1.3
|
-0.6
|
각 시작품에 대해
그림 12의 장비를 통해 회전자 위치에 따른 토크를 측정하였다. 1A의 전류 조건으로 설계를 수행하였지만 높은 전류 밀도로 인한 과도한 발열로 시작품 손상이
우려되어 0.7A의 전류로 시험 및 비교를 수행하였다. 시험 중 코일 온도 상승으로 전류가 떨어지면 지속적인 전압 조정을 통해 전류를 일정하게 인가하였다.
또한, 시험 중 모터 손상을 방지하기 위해 시험마다 저항을 측정하여 코일의 평균 온도를 확인하고 팬을 이용하여 충분히 온도를 냉각시켰다.
그림. 12 토크 측정 시험 장비 구성
Fig. 12 Torque test equipment
5.2 토크 테스트 결과 비교 및 분석
토크시험 최대토크를 비교했을 때 하이브리드형 LATM의 토크는 약 44 % 더 높으며 FEM 결과와 유사하다. 그러나 토크시험 결과 FEM 결과보다
토크 파형이 Y축으로 옵셋이있음을 확인하였다. 시제품 제작 시 가공간격으로 인해 발생할 수 있으며, 이 문제는 Torque Test 시 시제품과 Tester
장비의 축 정렬을 완벽하게 맞추기 어렵기 때문에 발생할 수 있다. 또한 FEM에서는 확인할 수 없었던 자기 히스테리시스 토크 손실로 인해 코깅 토크의
오프셋이 발생할 수 있으며(7). 이 부분에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
그림. 13 하이브리드형 LATM 토크시험 결과
Fig. 13 Result of hybrid type LATM
그림. 14 영구자석형 LATM 토크시험 결과
Fig. 14 Result of Permanent magnet type LATM
표 7
Table 7
|
구분
|
단위
|
영구자석형
|
하이브리드형
|
|
최대토크
|
gf.cm
|
149.2
|
166.8
|
|
최소토크
|
-132.0
|
-238.8
|
|
평균토크
|
140.6
|
202.8
|
6. Conclusion
본 연구에서는 영구자석형과 릴럭턴스형 LATM의 장점을 결합한 하이브리드형 LATM 구조를 제안한다. 릴럭턴스 LATM의 토크 성능 변화는 가공
공차의 제조 수준에 따라 상대적으로 클 수 있으나 보이스 코일 권선으로 높은 점적률를 확보할 수 있는 장점이 있다. 영구자석형형 LATM은 토로이달
권선으로 높은 점적률을 확보할 수 없지만 높은 자속밀도를 갖는 영구자석을 사용하여 높은 토크를 낼수 있다는 장점이 있다. 제안된 하이브리드형 LATM은
영구자석형보다 약 44% 높은 토크를 보여주며, 요구시스템에 높은 토크를 제공하거나 모터를 소형화하여 경량화에 효과적일 것으로 기대된다. 시제품 제작
당시에는 권선 정렬로 인해 점적률이 초기 설계보다 낮았지만 권선 정렬이 반영되면 32%에서 60% 이상으로 점적률을 확보하여 토크 밀도를 더욱 향상
시킬 수 있을 것으로 기대된다.
References
P. M. Krishna, N. Kannan, Jan. 1996, Brushless DC limited angle torque motor, Proceedings
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Industrial Growth, Author 1, A.; Author 2, B. Title of the chapter. In Book Title,
2nd ed.; Editor 1, A., Editor 2, B., Eds.; Publisher: Publisher Location, Country,
2007; Volume 3, pp. 154–196., Vol. , pp. 511-516
S.-O. Kwon, Jul 2014, Study on the characteristic analysis of limited angle torque
motor, KIEE, pp. 842-843
G. Yu, Dec 2020, Modeling and analysis of limited-angle torque motor considering nonlinear
effects, IEEE Trans., Vol. 6, No. 4, pp. 1457-1465
H.-I. Lee, M. D. Noh, Feb 2011, Optimal design of radial-flux toroidally wound brushless
DC machines, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 58, No. 2, pp. 444-449
R. Nasiri Zarandi, Aug 2015, Analysis, optimization, and prototyping of a brushless
DC limited-angle torque-motor with segmented rotor pole tip structure, IEEE Trans.
Ind. Electron., Vol. 62, No. 8, pp. 4985-4993
R. Nasiri Zarandi, Jan 2011, Comprehensive design of a toroidally-wound limited angle
torque motor, IREE, Vol. 6, No. 1, pp. 198-206
S. Leitner, Jul 2020, Rheometer-based cogging and hysteresis torque and iron loss
determination of sub-fractional horsepower motor, IEEE Trans., Vol. 56, No. 4, pp.
3679-3690
저자소개
He received the bachelor's degree in mechanical engineering from Kumoh National
Institute of Technology, Gumi, South korea, in 2015, and the master's degree in School
of Electric and Electrical Engineering Graduate School, Kyungpook National University,
Daegu, South Korea, in 2021.
He is currently a Researcher with ilshinmotor, Yeongcheon. research interests include
design and optimization of electric machine, such as automotive application.
He received the bachelor's and master's degree in electrical engineering from Changwon
National University, Changwon, South Korea, in 2005 and 2007, respectively, and the
Ph.D. degree in automotive engineering from Hanyang University, Seoul, South Korea,
in 2011.
He is currently with the Korea Institute of Industrial Technology, Deagu, South
Korea. His research interests include electric machine design and analysis.
He received the bachelor's degree in mechaninal engineering from Daegu University,
Daegu, South Korea, in 2012, and the master's degree in automotive engineering from
Hanyang University, Seoul, South Korea, in 2014, where he is currently working toward
the Ph.D. degree in automotive engineering.
He is currently a researcher with Korea Institute of Industrial Technology, Deagu.
His research interests include design and optimization of electric machine, such as
automotive application.
He received the bachelor's degree in mechanical engineering from Daegu University,
Daegu, South Korea, in 2016, and the master's degree in electrical Engineering form
the Kyungpook National University, Daegu, South Korea.
Where he is currently working toward the Ph.D degree in electrical engineering.
also He joined the BorgWarner, Daegu, South Korea.
His main research interests include electromagnetic field analysis, Design \& optimization
of electric machine for automotive application.
Seung-Young Yoon received the bachelor's degree in electrical engineering from Gyeongsang
National University, Jinju, South Korea, in 2020, where he is currently pursuing a
Master’s degree in Electronic and Electrical Engineering from the Kyungpook National
University, Daegu, South Korea.
His research interests include Design \& analysis of electric motors and electro-
magnetic field analysis
He received the bachelor's and master's degree and Ph.D. degrees in electrical engineering
from Seoul National University, Seoul, Korea, in 1986, 1988, and 2000, respectively.
From 1988 to 1994, he was a Senior Research Engineer with SAMSUNG Electro Mechanics
Company.
From 1995 to 1997, he was a Senior Researcher with Korea Electrical Engineering
and Science Research Institute.
From 1997 to 2003, he was a cofounder and a Research Director of KOMOTEK Company
which develops and produces precision motors. From 2003 to 2006, he was a Research
Professor with Sungkyunkwan University.
Since 2007, he has been a Professor of the Department of Electrical Engineering,
Kyungpook National University.
His current research interests are design of electric machines, theory of electromagnetic
force density, and multiphysics of electrics and mechanics.