Conference: 2022 한국자기학회 하계학술대회
Authors: 배예나, 박진철, 김현수, 유준열, 임명섭
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최근 협동 로봇이 낮은 인건비와 높은 생산성으로 제조산업 전 분야에 걸쳐 빠르게 보급되는 추세이다. 이에 협동 로봇에 적용되는 Surface Permanent Magnet Synchronous Motor(SPMSM)의 고효율화 및 소형화를 통한 공정 소비전력 절감에 관심이 대두되고 있다. SPMSM의 고효율 및 고출력 설계를 위해서는 설계 단계에서 적절히 모터 사이즈 결정하고 정확한 효율 예측하는 것이 중요하다. 설계된 모터의 효율은 Finite Element Analysis(FEA)를 이용해 파악할 수 있지만, 적절한 사이즈 선정을 위해 FEA를 이용할 경우 형상 변화에 따라 모델링 해야 하므로 오랜 시간이 소요된다. 이에 본 논문에서는 모터 형상 변화 비율을 이용해 사이즈 변화 시의 모터 파라미터를 수식적으로 계산하고 효율을 빠르게 예측하는 방법을 제시한다.Fig. 1은 본 논문에 적용된 1kW급 로봇용 SPMSM의 초기 모델 형상을 나타낸다. 그림과 같이 모터 사이즈는 고정자 외경(Ds), 회전자 외경(Dr), 적층 길이(Lstk)를 변수로 결정된다. Fig. 2는 사이즈 변화 비율을 이용해 수정된 모터의 고정자 권선 수(Ns)를 계산하는 과정을 나타낸다. 이처럼 모터 파라미터는 Ds, Dr, Lstk에 대한 함수로 표현할 수 있다. 따라서 수정된 모델의 인덕턴스, 권선 저항, 철손 저항과 같은 전기 파라미터는 초기 모델의 전기 파라미터를 사이즈 변화 비율에 따라 비례식으로 계산하여 예측할 수 있다. 이때 사이즈 변화 전후의 역기전력, 무부하 공극 자속밀도, 치⋅요크 폭 자속밀도, 점적률, 샤프트 외경은 동일하다고 가정하였다.본 논문에서는 모터 사이즈 변화 시 고정자 외경(Ds)은 일정한 조건에서 회전자 외경(Dr) 및 적층 길이(Lstk)가 변화하는 경우에 대해 검토하였다. 이를 위해 초기 모델의 전기 파라미터를 FEA을 통해 계산하였고, 회전자 외경 및 적층 길이 변화에 따른 파라미터 변화를 수식적으로 도출하였다. 최종적으로 모터의 전압 방정식을 이용해 변화된 파라미터에 따른 효율을 예측하였다. 모터 효율은 입력된 전력과 발생한 손실을 이용해 계산하였으며, 동손, 철손, 베어링 마찰 및 풍손에 의한 기계손을 고려하였다. 이때 모터 입력 전력은 사이즈 변화 전후에 동일 정격 토크를 만족시키기 위한 최소 크기의 전기자 전류를 계산해 적용하였다.Fig. 3과 Fig. 4는 각각 FEA를 이용해 파악한 초기 모델과 개선 모델의 효율맵을 나타내며, 초기 모델 대비 개선 모델의 전 영역 평균 효율 및 정격 운전점에서의 효율이 향상됨을 확인하였다.