덕트 팬용 코어리스 PCB AFPM의 토폴로지간 성능 비교 = Performance Comparison of Coreless PCB AFPMTopologies for Duct Fan

국문 초록 (Abstract)

덕트 팬용 코어리스 PCB AFPM의 토폴로지간 성능 비교 고승훈 차세대스마트에너지시스템융합학과 가천대학교 대학원 덕트용 팬 모터는 제한된 설치 공간 내에서 충분한 공기 유량을 확보하 기 위해 높은 토크 특성이 요구되며, 동시에 팬 블레이드가 유체 저항 및 진동에 의해 받는 부하를 최소화하기 위해 낮은 진동·소음 특성이 필수 적이다. 또한 시스템 구조상 축방향 길이에 대한 제약이 크기 때문에, 축 방향으로 컴팩트한 모터 구조가 요구된다. 축방향 자속 전동기(Axial Flux Motor, AFM)는 반경 방향으로 상대적으 로 넓고 축방향으로 짧은 구조를 가지며, 동일 체적 기준에서 반경 방향 자속 전동기(Radial Flux Motor, RFM) 대비 높은 토크 밀도를 구현할 수 있다. 이러한 구조적 특성으로 인해 AFM은 덕트용 팬 모터와 같은 공간 제약형 응용에 적합하며, 경량화 및 소형화 측면에서도 유리한 장점을 갖 는다. 특히, 고정자 코어가 없는 Coreless 구조의 모터는 치 및 슬롯 구조 로 인해 발생하는 자력 변동을 제거할 수 있어, 일반적인 Core type 모터 대비 진동 및 소음 특성이 우수하다. 그러나 일반적인 AFM은 주로 Core type 구조가 적용되며, 방사형 자속 전동기에 비해 고정자 적층 코어의 제작 및 배치가 구조적으로 복잡하 다는 한계가 존재한다. 모터는 회전자 및 고정자의 배치, 영구자석의 배 열 방식에 따라 다양한 토폴로지로 분류될 수 있으며, 동일 체적 조건에 서도 토폴로지에 따라 성능 차이가 발생한다. 특히 Core type AFM의 경 우, multi-stator 구조와 같은 토폴로지 구현 시 고정자 수 증가에 따라 권 선 공정의 takt time이 선형적으로 증가하는 제조상의 제약이 따른다. 반면, Printed Circuit Board(PCB) 고정자를 적용한 Coreless type AFM은 권선 패턴을 PCB 공정을 통해 일괄 제작할 수 있어 고정자 생산 시간이 획기적으로 단축되며, multi-stator 구조를 포함한 다양한 토폴로지 구현이 Core type 대비 용이하다. 그럼에도 불구하고, 제한된 체적 조건에서 PCB Coreless AFM의 토폴로지별 성능을 체계적으로 비교·분석한 연구는 여 전히 부족한 실정이다. 본 논문에서는 PCB 고정자를 적용한 Coreless type 축방향 자속 전동기 를 대상으로, 제한된 체적 조건 하에서 회전자 및 고정자의 배치에 따른 토폴로지별 전자기적 성능 비교를 수행한다. 제작성을 고려하여 적용 가 능한 토폴로지를 선별한 뒤, Single-Stator Double-Rotor 구조를 기초 모델 로 선정하여 기초 설계 및 PCB 고정자 최적화를 수행한다. 이후 동일한 모터 외형, 자석 사용량, PCB 형상 조건을 기준으로 각 토폴로지의 역기 전력 특성 및 손실 특성을 분석한다. 분석 결과, Model C-1 토폴로지가 손실 특성 및 역기전력 성능 측면에서 가장 우수한 특성을 보였으며, 제 한된 체적 조건에서 가장 효율적인 구조로 선정되었다. 제안된 토폴로지 의 타당성은 3차원 유한요소해석(FEM)을 통해 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 ⅲ
• 표 목록 ⅴ
• 그림 목록 ⅵ
• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 3
• 제2장 PCB 고정자 Axial Flux Motor 기본 이론 및 구조 5
• 2.1 Radial Flux Motor, Axial Flux Motor의 구조 및 원리 5
• 2.2 Radial Flux Motor와 Axial Flux Motor 토크 발생 원리 7
• 2.3 Radial Flux Motor, Axial Flux Motor 제작 8
• 2.4 PCB의 기본 구조 10
• 제3장 PCB 고정자 AFM 기초 모델 설계 12
• 3.1 PCB 고정자 Axial Flux Motor의 구동 원리 및 구조 12
• 3.2 기초 모델 제약사항 및 설계 사양 선정 17
• 3.3 PCB 고정자 AFM의 극·슬롯수, 슬롯당 도체수 선정 19
• 제4장 PCB 고정자 패턴 설계 23
• 4.1 외측 엔드턴 변화에 따른 성능 분석 23
• 4.2 내측 엔드턴 변화에 따른 성능 분석 26
• 4.3 권선 AC Loss 저감을 위한 패턴 설계 30
• 제5장 PCB Axial Flux Motor 토폴로지 분석 35
• 5.1 PCB 고정자 Axial Flux Motor 토폴로지 35
• 5.2 PCB 고정자 Axial Flux Motor 토폴로지 선정 37
• 제6장 결 론 45
• 참고문헌 47
• ABSTRACT 50