DLP 구동용 새로운 브러시리스 직류전동기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The small precision brushless DC motors in the high value-added products including the visible home appliances such as the projection TV and the projector require not only the energy conversion devices but also high efficiency, low vibration and sound operation. However, the brushless DC motors using the conventional ball bearing have following problems: the vibration by the cogging torque and the short motor life cycle by the ball's abrasion. Also, the brushless DC motors using the fluid dynamic bearing are restrictively used because of the high power consumption by high viscosity lubrication oil and the leakage of oil, and so on.
In this dissertation, it is proposed that new coreless brushless DC motor with an air dynamic bearing is suitable for the motor to drive the color wheel of the digital lightening processor in the visible home appliances. The proposed coreless brushless DC motor has three advantages: First, it has low vibration and sound since there is no cogging torque. Second, it has low power consumption because the air dynamic bearing with lower viscosity air has small friction loss. Third, it has permanent life cycle that there is no air leakage.
The proposed coreless brushless DC motor is composed of the air dynamic bearing with the radial force, the magnetic bearing with the axial force, and the electromagnetic field part occurring the rotation force. The electromagnetic field part is designed by the voltage equations considering the inverter switching modes and the finite element analysis of the electromagnetic field coupled with the Maxwell equations. The three dimensional electromagnetic field analysis is designed for magnetic bearing. The air dynamic bearing is solved by the finite element analysis of the mechanical field with the Reynolds equations. The design of the proposed coreless brushless DC motor is implemented by the finite element analysis based on the radial force, the friction loss, the unbalanced electromagnetic force, and the load torque caused by the eccentricity of the air dynamic bearing and the unbalance of the air gap when the motors fabricated in error.
The prototype of the newly proposed coreless brushless DC motor is manufactured, and experiment results show the vibration, sound, and phase current at no load and color wheel load of the motors in comparison.
The high performance characteristics with the low vibration, the low acoustic noise and the low power consumption are verified by the experimental results, and the feasibility of the proposed coreless brushless DC motor using an air dynamic bearing implemented by the finite element analysis is exemplified for the motors to drive the color wheel of the digital lightening processor via the experiments.

국문 초록 (Abstract)

최근 영상 가전기기인 프로젝션(Projection) TV나 프로젝터(Projector)와 같은 고 부가가치 제품에 사용되는 소형 정밀 브러시리스 직류전동기(Brushless DC motor)는 단순한 에너지 변환장치에 국한되지 않고, 고효율, 저진동, 저소음 등의 종합적인 성능을 요구하고 있다. 그러나 기존의 볼베어링(Ball bearing)을 사용하는 브러시리스 직류전동기는 코깅 토크(Cogging torque)에 의한 진동과 볼의 마모에 의한 베어링 수명의 문제로 인하여 사용이 감소되고 있으며, 유체동압 베어링(Fluid Dynamic Bearing)을 사용하는 브러시리스 직류전동기는 윤활류로 사용하는 오일의 점성계수에 의한 마찰손실 및 오일(Oil)의 누수 등의 문제로 인하여 제한적으로 사용되고 있다.
본 논문에서는 영상 가전기기에 사용되는 디지털 라이트닝 프로세서(Digital Lightening Processor)의 컬러 휠(Color wheel) 구동용 전동기로서 공기동압 베어링(Air Dynamic Bearing)을 사용한 코어리스(Coreless) 브러시리스 직류전동기를 제안한다. 제안된 코어리스 브러시리스 직류전동기는 코깅 토크가 없어 진동·소음이 작고, 윤활류로서 점성계수가 작은 공기를 사용하는 공기동압 베어링을 채용하여 마찰손실이 작으며, 공기의 누수와 무관하여 수명이 영구적이다.
제안된 코어리스 브러시리스 직류전동기는 반경방향 지지력을 갖는 공기동압 베어링과 축방향 지지력을 갖는 자기베어링 및 회전력을 발생시키는 전자기계(Electromagnetic field)부로 구성되어 있다. 전자기계부는 인버터의 스위칭 동작을 포함하는 구동회로와 맥스웰 방정식으로 표현되는 전자계의 유한요소(Finite element) 해석을 통하여 설계되고, 공기동압 베어링은 유체 운동방정식으로 표현되는 기계계의 유한요소 해석을 통하여 설계된다. 자기베어링은 3차원 전자장 해석을 통하여 설계된다. 설계된 전동기의 성능을 평가하기 위하여, 제작·조립오차 등에 의하여 발생한 베어링의 편심 및 공극(Airgap) 불균일에 따른 공기동압 베어링의 반경방향 지지력 및 마찰손실과 전자계의 불평형 전자기력 및 부하토크를 유한요소 해석한다.
제안된 코어리스 브러시리스 직류전동기의 프로토타입(Prototype)을 제작하여 무부하 및 컬러 휠 부하에 대한 진동·소음 및 소비전류 특성 실험을 실시한다.
유한요소 해석 및 제작된 프로토타입 전동기에 대한 실험 결과들은 제안된 공기동압 베어링을 사용한 코어리스 브러시리스 직류전동기가 저진동·소음 및 고효율 특성을 갖고 있으므로, 디지털 라이트닝 프로세서 컬러 휠 구동용 전동기로서 적합함을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 = 1
• 1.2 연구 목적 및 연구 내용 = 6
• 제2장 공기동압 베어링 = 9
• 2.1 지배방정식 = 10
• 2.2 공기동압 베어링의 유한요소 행렬식 = 15
• 제3장 코어리스 브러시리스 직류전동기의 구동회로 = 17
• 3.1 코어리스 브러시리스 직류전동기의 구조 = 17
• 3.2 전자계 해석을 위한 전압방정식 = 18
• 제4장 전자계의 유한요소 해석 = 21
• 4.1 Galerkin 법에 의한 유한요소 행렬식 = 21
• 4.1.1 자속밀도 = 26
• 4.1.2 영구자석 및 회전자 및 고정자 자성체의 비선형 특성 = 29
• 4.2 시간 차분법 = 29
• 4.3 이동 요소 기법 = 30
• 4.4 맥스웰 응력법(Maxwell stress tensor method) = 31
• 제5장 코어리스 브러시리스 직류전동기의 제어 = 34
• 5.1 코어리스 브러시리스 직류전동기의 통전 인버터에 의한 구동 = 35
• 5.1.1 역기전력에 의한 위치 검출 = 37
• 5.2 코어리스 브러시리스 직류전동기의 통전 인버터에 의한 구동 = 42
• 5.2.1 통전 인버터에 의한 코어리스 브러시리스 직류전동기의 구동 = 43
• 5.2.2 코어리스 브러시리스 직류전동기의 전압방정식 = 45
• 5.2.3 상태벡터 인가시간의 결정 = 46
• 5.2.4 상전류 검출 및 회전자 위치 검출 = 48
• 5.2.5 DC링크전압 제어를 위한 비례·적분 보상기 = 50
• 제6장 코어리스 브러시리스 직류전동기의 공기동압 베어링 및 전자계 설계 및 해석 결과 = 52
• 6.1 코어리스 브러시리스 직류전동기의 공기동압 베어링의 설계 및 해석 = 54
• 6.1.1 공기동압 베어링의 설계 = 54
• 6.1.2 공기동압 베어링의 해석 = 55
• 6.2 코어리스 브러시리스 직류전동기의 전자계부 설계 및 해석 = 59
• 6.2.1 코어리스 브러시리스 직류전동기의 전자계부 설계 = 59
• 6.2.2 영구자석의 자화(Magnetization) = 60
• 6.2.3 코어리스 브러시리스 직류전동기의 전자장 해석 = 61
• 6.2.4 코어리스 브러시리스 직류전동기의 불평형 전자기력 = 66
• 6.2.5 슬롯리스 브러시리스 직류전동기의 해석결과 = 67
• 6.3 자기베어링(Magnetic bearing) 설계 및 해석결과 = 72
• 제7장 실험 결과 = 74
• 7.1 설계된 코어리스 브러시리스 직류전동기의 제작 = 74
• 7.2 실험에 사용된 전동기 = 77
• 7.3 실험장치 및 제어 블록도 = 81
• 7.4 실험 결과 = 87
• 7.4.1 제작한 코어리스 브러시리스 직류전동기의 기본 특성 = 87
• 7.4.1.1 영구자석의 자화 = 87
• 7.4.1.2 코어리스 브러시리스 직류전동기의 역기전력 = 88
• 7.4.1.3 코어리스 브러시리스 직류전동기의 기본 특성 = 89
• 7.4.2 공기동압 베어링을 갖는 코어리스 브러시리스 직류전동기의 무부하 특성 실험 결과 = 91
• 7.4.2.1 통전 인버터 구동에 의한 코어리스 브러시리스 직류전동기 특성 = 91
• 7.4.2.2 통전 인버터 구동에 의한 코어리스 브러시리스 직류전동기 특성 = 95
• 7.4.3 공기동압 베어링을 갖는 코어리스 브러시리스 직류전동기의 부하특성 실험 결과 = 99
• 7.4.3.1 통전 인버터 구동에 의한 코어리스 브러시리스 직류전동기 특성 = 99
• 7.4.3.2 통전 인버터 구동에 의한 코어리스 브러시리스 직류전동기 특성 = 104
• 7.4.4 유체동압 베어링을 갖는 코어형 브러시리스 직류전동기의 실험 결과 = 108
• 7.4.5 공기동압 베어링을 갖는 슬롯리스 브러시리스 직류전동기 실험 결과 = 112
• 7.4.6 코어리스 브러시리스 직류전동기와 코어형 및 슬롯리스 브러시리스 직류전동기의 실험결과 비교 = 116
• 7.4.6.1 기계적 진동 = 116
• 7.4.6.2 소음 = 117
• 7.4.6.3 소비전류 = 118
• 7.4.6.4 회전속도 제어성능 = 119
• 제8장 결론 = 121
• 8.1 코어리스 브러시리스 직류전동기의 해석 및 실험에 의한 결론 = 121
• 8.2 기대 효과 및 활용 방안 = 122
• 참고문헌 = 124