소형 액추에이터용 코일 보빈 삽입형 BLDC 전동기의 성능 향상 설계에 관한 연구 = A Study on Performance Improvement Design of Coil Bobbin Insertion Type BLDC Motors for Small Actuators

국문 초록 (Abstract)

일반적인 전동기는 자속 확보 및 코깅토크 저감을 위해 고정자 치에 슈(Shoe)를 적용하고, 권선은 권선기가 슬롯 개구 폭 사이로 삽입되어 감는 방식을 사용한다. 그러나 소형 전동기의 경우 슬롯 개구 폭이 협소하여 정밀 권선기의 사용이 필수적이며, 이에 따라 권선 제작 시간 지연 및 제작 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 고정자 치의 슈를 제거한 평행치 구조에서 코일 보빈을 삽입하는 방식을 사용하는 전동기 모델을 제안하였다. 이 방식은 외부에서 권선된 코일 보빈을 고정자 치에 직접 삽입할 수 있어 권선 제작 공정을 단순화하고 제작성을 향상할 수 있다. 그러나 슈의 제거로 인해 자속 확보가 어려워지고, 이에 따라 전동기의 효율 저하가 발생한다.
따라서 본 논문에서는 성능 확보를 위해 고정자 치 끝단 구조 및 고정자 비대칭 공극 구조 설계 기법과 같은 고정자 형상 설계를 진행하였으며, 유한요소해석(FEA)을 통해 각 설계 변수의 변화에 따른 특성을 분석하였다. 또한, 반응표면분석법(RSM)을 사용하여 설계 변수 간 상관관계를 기반으로 최적점을 찾아 모델의 최적화 설계를 수행하였으며, 초기 모델과의 비교를 통해 최적화 모델의 타당성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Conventional electric motors employ stator tooth shoes to secure magnetic flux and reduce cogging torque, and the windings are inserted into the slot openings using winding machines. However, small motors have narrow slot openings, which require precision winding machines and lead to increased production time and cost. To address this problem, this study proposes a motor model that adopts a parallel-tooth stator structure without tooth shoes, allowing pre-wound coil bobbins to be directly inserted into the stator teeth and improving manufacturability. Nevertheless, the removal of the tooth shoes makes it more difficult to secure magnetic flux, resulting in lower efficiency. Therefore, stator design techniques such as tooth-tip structure and asymmetric air-gap structure were applied to enhance performance. The effects of each design parameter were analyzed through FEA, and the RSM was subsequently applied to determine the optimal design point and verify the validity of the optimized model by comparing it with the base model.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = ⅵ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 = 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 = 2
• Ⅱ. BLDC 전동기의 이론 및 기초 설계 = 3
• 2.1 BLDC 전동기의 특성 = 3
• 2.1.1 BLDC 전동기의 구조 및 구동 원리 = 3
• 2.1.2 BLDC 전동기 수학적 모델링 = 6
• 2.2 극/슬롯 조합을 통한 권선 설계 = 9
• 2.2.1 Star of Slots 기법을 통한 3상 권선 배치 = 9
• 2.2.2 권선계수 = 12
• 2.3 SPM 타입의 공극 자속밀도 계산 = 14
• 2.4 전동기 고정자 형상 설계 = 21
• 2.5 초기 모델 특성 분석 = 24
• 2.5.1 초기 모델의 설계 제원 및 사양 = 24
• 2.5.2 초기 모델의 유한요소해석 결과 = 26
• Ⅲ. 고정자 구조 변화에 따른 특성 향상 설계 = 29
• 3.1 고정자 치 끝단 구조 = 29
• 3.2 고정자 비대칭 공극 구조 = 32
• Ⅳ. 전동기 최적화 설계 = 36
• 4.1 실험계획법의 개요 = 36
• 4.2 반응표면분석법을 통한 최적화 설계 = 38
• 4.3 최적화 및 초기 모델의 유한요소해석 결과 비교 = 42
• Ⅴ. 결론 = 45
• 참고문헌 = 46
• ABSTRACT = 48