Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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Optimal Design for Performance Improvements of Brushless DC Motor considering Advanced Twelve Step Control

개선된 12 스텝 제어를 고려한 브러시리스 DC 전동기의 성능 향상을 위한 최적화 설계

  • Kim, Sung-An (Power Machinery Team, Korea Marine Equipment Research Institute) ;
  • Cho, Yun-Hyun (Dept. of Electrical Engineering, Dong-A University)
  • Received : 2019.03.07
  • Accepted : 2019.03.22
  • Published : 2019.03.31
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Abstract

This paper presents an optimal design of a brushless DC motor considering an advanced $165^{\circ}$ 12 step control for a cost reduction. The advanced 12 step control that extends the conduction angle $150^{\circ}$ can improve the output of the motor. The optimal design considering the improved output power of the motor is proposed by reducing the volume of rotor, stator and permanent magnet using response surface method. The proposed design satisfied the performance requirements and efficiency improvement of the conventional motor and reduced the volume about 3.5%. The feasibility of the optimal design is proved by the electromagnetic field analysis using the finite element method.

본 논문에서는 원가 절감을 위한 개선된 $165^{\circ}$ 12 스텝 제어를 고려한 브러시리스 DC 전동기의 최적화 설계에 대하여 논한다. 개선된 12 스텝 제어는 기존 제어의 도통각 $150^{\circ}$을 확장시켜 전동기의 출력을 향상 시킬 수 있다. 향상된 전동기 출력을 고려한 반응 표면법을 이용한 최적화 설계를 통해서 회전자, 고정자 및 영구자석의 부피를 감소시켜 원가절감이 가능한 설계를 제시한다. 제안된 설계는 기존 전동기의 요구 사양 및 효율 향상을 만족하고 기존 전동기 중량의 약 3.5%를 저감하였다. 유한요소법을 이용한 전자계 해석을 통해 최적화 설계의 타당성을 입증하였다.

Keywords

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Fig. 1. Operating principles of 150° and proposed controls. 그림 1. 150° 제어와 제안된 제어의 동작 원리

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Fig. 2. 1/8 3D model of conventional motor. 그림 2. 기존 전동기의 1/8 3D 모델

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Fig. 3. FEA results of conventional motor according to 150° and proposed controls. 그림 3. 150° 및 제안된 제어에 따른 기존 전동기의 FEA 결과

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Fig. 4. FEA results of conventional and basic designed motors with proposed control. 그림 4. 제안된 제어를 적용한 기존 및 기본 설계된 전동기의 FEA 결과

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Fig. 5. Motor shape and design factors. 그림 5. 전동기 형상, 설계 인자

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Fig. 6. Response surface method results. 그림 6. 반응 표면법 결과

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Fig. 7. FEA results of optimized motor with proposed control. 그림 7. 제안된 제어가 적용된 최적화된 전동기의 FEA 결과

Table 1. Specifications of conventional motor and controller. 표 1. 기존 전동기 및 제어기의 사양

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Table 2. Optimum candidates values using RSM. 표 2. 반응 표면법을 이용한 설계 인자 값

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Table 3. Performances comparison of motors. 표 3. 전동기별 출력 성능 비교

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References

  1. S. A, Kim, S. K. Park and Y. H. Cho, "Design of Brushless DC Motor with Weight Reduction and Performance Improvements considering Twelve Step Control," Inter. Jour. of Appl. Electro. and Mech., Preprint, 2018. DOI: 10.3233/JAE-171002
  2. Ogasawara, Satoshi, and H. Akagi. "An Approach to Position Sensorless Drive for Brushless DC Motors," IEEE Trans. on Ind. Appl. vol. 27, no. 5, pp. 928-933, 1991. DOI: 10.1109/28.90349
  3. S. Saha, T. Tazawa, K. Narazaki, H. Murakami and Y. Honda, "A Novel Sensorless Control Drive for an Interior Permanent Magnet Motor," In Proc of the 27th Annual Con. of the IEEE Ind. Elec. Society, Vol. 3 pp. 1655-1660, 2001. DOI: 10.1109/IECON.2001.975536
  4. T. H. Lee, S. H. Kim, C. Y. Cho, C. H. Park and Jae-Ho Kim. "A Verification of a Sensorless BLDC Motor Drive System to Control 4-axis Fins for a Guided Artillery Munition by HILS," Trans. of Korean Ins. of Power Electronics, Vol. 20, No. 6, pp. 580-586, 2015. DOI: 10.6113/TKPE.2015.20.6.580
  5. S. A. Kim and Y. H. Cho, "Output Characteristic Comparison of BLDC Motor for Water Circulation System According to Sensorless Control Methods," The Trans. of The Korean Ins. of Elec. Engineers, vol. 66, no. 9, pp. 1325-1333, 2017. DOI: 10.5370/KIEE.2017.66.9.1325
  6. C. M. Wang, S. J. Wang, S. K. Lin, and , H. Y. Lin, "A Novel Twelve-Step Sensorless Drive Scheme for a Brushless DC Motor," IEEE trans. on magnetics, vol. 43, no. 6, pp. 2555-2557, 2007. DOI: 10.1109/TMAG.2007.892327