자동차 냉각팬용 3상 6/4, 12/8과 4상 8/6

SRM의 특성해석

박준휘 ․ 권은주 ․ 안진우

경성대학교 메카트로닉스공학과

(2012년 11월 23일 접수 ; 2012년 12월 12일 승인)

Performance Analysis of

3-Phase 6/4, 12/8 and 4-Phase 8/6 SRMs

for Application of Automotive Cooling Fan

Jun-Hwi Park․Eun-Joo Kwon․Jin-Woo Ahn

Department of Mechatronics Engineering, Kyungsung University

ABSTRACT

In this paper, the design and analysis of a switched reluctance motor(SRM) according

to design parameters is researched for automotive cooling fan applications of vehicles.

The motor has 3-phases 6/4 and 12/8, 4-phases and 8/6 type SRM for design and

analysis. Each prototype SRM is manufactured and tested and the test results show this

design is within specification and good for automotive cooling fan applications of

vehicles.

Key Word : 3상, 6/4, 12/8, 4상, 8/6, SRM, automotive cooling fan

- 2 -

1. 서 론

최근 영구자석의 수급과 비용 문제로 가격

경쟁력이 낮은 단점으로 인해 영구자석을

사용하지 않는 전동기에 대해 급속한 관심

을 가지고 산업체에서는 개발 및 연구가 활

발히 진행되고 있다. 그 중 스위치드 릴럭

턴스 전동기(Switched Reluctance Motor.

SRM)는 회전자와 고정자가 이중 돌극형으

로 구성되어 있다. 그리고 고정자에만 권선

이 있는 단순한 구조로 양상성에서도 그 장

점을 가지고 있다. 영구자석이 없고 고정자

에만 권선을 가지는 간단한 전자계 구조 때

문에 다른 전동기에 비해 생산단가를 낮추

는 것이 용이하여, 팬, 블러워, 트랙션용과

저가용으로 SRM을 사용하는 사례가 점점

증가하고 있다[1]. 본 논문에서는 자동차용

냉각팬으로 현재 사용되고 있는 브러시리스

DC 전동기(Blushless DC Motor, BLDCM)

를 대체하는 SRM을 개발하였다. 개발된 전

동기의 특성해석을 위해서 유한요소해석

(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하

였다. 해석된 결과에 의해 각 전동기를 제

작하였다. 그리고 각 전동기의 구동실험을

통해 성능을 측정하였다.

2. 자동차용 냉각팬 전동기 개발

2.1 제안된 SRM의 개발 목표

본 논문에서는 600[W] 냉각팬 구동을 위

한 저가형 및 저 소음용 SRM의 설계를 목

표로 수행되었다. 전동기의 설계 사양은 입

력전압 12[V], 정격출력 500[W], 정격속도

2,800[rpm], 정격 전류 50[A], 시스템 효율

80[%]로 다음 표 1과 같다.

Parameter Value Unit Parameter Value Unit

입력전압 12 V 정격출력 480 W

정격 전류 50 A 목표 효율 80 %

정격속도 2800 rpm 정격토크 1.67 Nm

표 1. 제안된 전동기 설계사양

기존의 연구 결과에서 가장 신뢰성이 높은

극 조합은 2상 4/2, 3상 6/4, 12/8, 4상 8/6

SRM이다[1-2]. 하지만 제안된 전동기 사양

에 따르면 정격 전류의 제한으로 인해 각

상에서 발생되는 토크가 고정되어있으므로

상간 토크 리플이 작은 전동기를 선택해야

한다. 그리고 자동차용 냉각팬에 적용하기

위해서는 소음이 작아야함으로 토크 리플이

작다는 것은 소음 역시 작다는 것을 의미한

다. 그러므로 2상 4/2 SRM의 경우 토크 리

플이 3상 6/4, 12/8 4상 8/6 SRM에 비해

크므로 자동차용 냉각팬으로는 비효율적이

다. 최종 결과로 토크리플이 작고 평균토크

가 높은 3상 6/4, 12/8 4상 8/6 SRM을 채

택하였다[3-8].

2.2 제안된 SRM의 산정

제안된 전동기들의 고정자 및 회전자의 외

경 및 극호각, 요크를 표 1을 기반으로 식

(1)～(5)를 통해 산정하였다[3].

(1)

(여기서, 는 효율, 는 duty cycle, 는

정렬위치에서의 고정자극 자속밀도,

,

, 는 비전기장하이

고, 은 회전자 속도이다.)

제안된 전동기의 상여자시 전 구간에서 토

- 3 -

크 발생을 위해서는 식(2)와 같은 조건을 만

족해야한다. 비 정렬위치상에서 상여자시

고정자와 회전자가 중첩되는 부분이 없다면

자기동(self start)이 불가능하게 된다.

min ≥ (2)

(여기서 은 회전자 극호각, 은 고정자

극호각이다.)

고정자 요크() 선정하기위해서는 고정자

극 폭()를 선정해야한다. 이는 식(2)에 의

해서 결정된 회전자와 고정자의 극호각에 의

해서 고정자극 폭은 식(3)로 결정되어진다.

sin (3)

고정자 요크()는 고정자 극의 최소

배 이상으로 결정한다. 그리고 고정자 요크

는 다음과 같이 식(4)로부터 결정되어 진다.

⋅ (4)

회전자 요크()는 다음과 같이 식(5)에 의

해서 결정되어진다.

⋅ ⋅ (5)

기초 설계형상은 SRM 전용 설계 소프트웨

어 PC-SRD를 사용하였다. PC-SRD는 계산

을 통해 얻은 고정자 및 회전자의 외형, 극

호각 등의 각 파라미터 값을 넣어 요구되는

사양의 값을 얻는다. 이와 같은 방법으로 표

2는 식(1)～(5)에 의해 회전자 및 고정자 외

형, 극호각, 요크를 산정한 값을 PC-SRD로

형상 설계를 수행한 결과를 통해 얻은 파라

미터들이다[9-10].

Parameter Symbol 6/4 12/8 8/6 Unit

축 반경 Rsh 52.5 52.5 52.5 mm

회전자 내부

반지름R 20 24 23 mm

회전자 외부

반지름R 31 31 30.5 mm

고정자 내부

반지름R 44 47.5 46.5 mm

고정자 외부

반지름R 52.5 52.5 52.5 mm

스텍 길이 Lstak 35 35 35 mm

1극당 턴수 Np 18 23 23 turns

고정자 극호각 Bs 30 14 21 deg.

회전자 극호각 Br 32 16 23 deg.

공극 g 0.25 0.25 0.25 mm

슬롯 면적 As 293 210 284 mm

표 2. 설계된 6/4, 12/8, 8/6 전동기 설계 치수

(a) 6/4 (b) 12/8

(c) 8/6

그림 1. 제안된 3상 6/4, 12/8 4상 8/6

SRM

그림 1은 제안된 전동기들의 단면도를 보여

준다.

- 4 -

제안된 전동기들의 토크 및 속도 특성해석

을 위해서 PC-SRD의 형상 설계된 값을 가

지고 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. 그

결과 6/4 SRM의

인덕턴스 및 토크 특성은 그림 2와 같다.

6/4 SRM의 최대 인덕턴스는 0.164[mH]이고

최소 인덕턴스는 0.0269[mH]이다. 그리고 정

격 속도 2800[rpm]에서 전류 실효치가 50[A]

일 때 정격 토크 1.7[Nm]으로 효율은 80%이

다.

그림 3은 12/8 SRM의 유한요소해석을 수

행한 결과로 얻은 인덕턴스 및 토크 프로파

일이다. 최대 인덕턴스는 0.0732[mH]이고 최

소 인덕턴스는 0.0178[mH]이다. 그리고 정격

속도 2800[rpm]에서 전류 실효치가 50[A]일

때 정격 토크 1.7[Nm]으로 효율은 80%이다.

(a) 인덕턴스 특성

(b) 토크 특성

그림 2. 6/4 SRM의 특성 해석

(c) 12/8의 인덕턴스 특성

(d) 12/8의 토크 특성

그림 3. 12/8 SRM의 특성 해석

(e) 8/6의 인덕턴스 특성

(f) 8/6의 토크 특성

그림 4. 제안된 전동기들의 특성 해석

- 5 -

그림 4는 8/6 SRM의 유한요소해석을 수행

한 결과로 얻은 인덕턴스 및 토크 프로파일

이다. 최대 인덕턴스는 0.1526[mH]이고 최소

인덕턴스는 0.0376[mH]이다. 그리고 정격 속

도 2800[rpm]에서 전류 실효치가 50[A]일 때

정격 토크 1.7[Nm]으로 효율은 82.3%이다.

유한요소 해석을 수행한 결과 각 전동기들

은 설계사양에 만족한 결과를 얻을 수 있었

다. 이를 기반으로 시작품 전동기를 제작하

였다.

3. 시작품 전동기의 특성 실험

3.1 제작된 시작품 전동기

그림 5는 2장에서 유한요소해석(FEA)을 통

해 제안된 사양의 검증을 완료한 후에 제작

된 시제품 전동기이다. 제작된 시제품 전동

기의 전체 무게를 줄이기 위해서 회전자의

자로길이에 영향을 미치지 않는 부분에 홀을

넣어 6/4, 12/8, 8/6을 제작하였다.

3.2 시작 전동기 파라미터 실험

6/4, 12/8, 8/6극의 SRM은 고정자 주자극과

회전자 극의 중첩이 시작된 이후 인덕턴스의

크기는 증가하게 되며, 상승구간의 적절한

중첩을 통해 연속적인 토크를 발생 할 수 있

다. 그러므로 최대 인덕턴스와 최소 인덕턴

스 비는 SRM의 설계시 인덕턴스의 특성을

해석하는 것은 중요하다. 그림 6은 제작된

시작품 전동기의 측정된 인덕턴스이다. 그림

6 (a)의 6/4극과 같은 경우 최소 인덕턴스는

0.0258[mH]이고 최대 인덕턴스는 0.133[mH]

이다. (b)의 12/8극은 경우는 최소 인덕턴스

는 0.0178 [mH]이고, 최대 인덕턴스는

0.0588[mH]이다. (c)의 8/6극은 최소 인덕턴

스는 0.0344[mH]이고, 최대 인덕턴스는

0.1156[mH]이다.

(a) 6/4 (b)12/8 (c)8/6

그림 5. 제작된 시제품 전동기

(a) 6/4

(b) 12/8

(c) 8/6

그림 6. 제작된 시제품 전동기의 인덕턴스

특성

- 6 -

6/4 12/8 8/6 Unit

최대

값

시작 전동기 0.133 0.0588 0.1156 mH

FEM

시뮬레이션0.164 0.0732 0.1526 mH

최소

값

시작 전동기 0.0258 0.0166 0.0344 mH

FEM

시뮬레이션0.0269 0.0178 0.0376 mH

비율

시작 전동기 5 3.5 3

FEM

시뮬레이션6 4 4

표 3. 설계된 6/4, 12/8, 8/6 전동기 설계 치수

※ 비율 : 정격 전류에서 최대값/최소값

3.3 시작품 전동기의 운전특성시험

그림 5는 제안된 시작품 전동기들의 부하실

험을 수행하기위한 다이나모미터와 시작품

전동기 그리고 그림 6은 제어기와 전력변환

기를 보여준다. 시작품 전동기 구동하기위해

DSP28335를 사용하였으며, 속도제어를 수행

한다. 그리고 최적화 설계를 통해 얻은 턴

온(Turn-On) 및 턴 오프(Turn-Off)각을 기

준으로 온-오프 각을 조정한다. 턴 온, 턴

오프 각은 회전자의 극수에 따라 결정되어진

다.

시작품 전동기의 정격 속도는 2800[rpm]이

고, 이때 정격 토크는 1.65[Nm]에서 6/4의

경우 오실로스코프를 통해 그림 7과 같은 실

험 결과를 얻을 수 있었다. 6/4는 회전자가

4극이므로 45～90°근처에서 턴 온 턴 오프

각을 수행한다. 이때, 턴 온 및 턴 오프 각은

47[°] 및 79.8[°]이다.

그림 5. 제안된 시작품 전동기의 특성

시험장비

그림 6. 제어기와 전력 변환기

그림 7. 6/4의 정격속도(2,800[rpm]), 정격

토크(1.7[Nm])에서의 실험 결과

- 7 -

그림 8. 6/4의 속도-토크-효율 곡선

그림 8은 6/4의 속도-토크-효율 곡선으로

전동기의 특성을 보여준다. 속도가

2800[rpm], 토크가 1.7[Nm]일 때, 효율은

81[%]이다.

그림 9. 12/8의 정격속도(2,800[rpm]), 정격

토크(1.65[Nm])에서의 실험 결과

12/8의 경우 오실로스코프를 통해 그림 9와

같이 실험결과를 얻을 수 있었다. 12/8은 회

전자가 8극이므로 21.5～45°근처에서 턴 온

턴 오프 각을 수행한다. 이때, 턴 온

(Turn-On) 및 턴 오프(Turn-Off)각은

21.7[°] 및 40[°]이다.

그림 10. 12/8의 속도-토크-효율 곡선

그림 10은 12/8의 속도-토크-효율 곡선으

로 전동기의 특성을 보여준다. 12/8의 구동

실험을 통해 정격 속도는 2800[rpm], 정격

토크는 1.7[Nm]에서 효율은 81[%]이다.

그림 11. 8/6의 정격속도(2,800[rpm]), 정격

토크(1.65[Nm])에서의 실험 결과

8/6의 경우 오실로스코프를 통해 그림 11과

같이 실험결과를 얻을 수 있었다. 8/6은 회

전자가 6극이므로 30～60°근처에서 턴 온 턴

오프 각을 수행한다. 이때, 턴 온(Turn-On)

및 턴 오프(Turn-Off)각은 29[°] 및 49[°]이

다.

- 8 -

그림 12. 8/6의 속도-토크-효율 곡선

그림 12는 8/6의 속도-토크-효율 곡선으로

전동기의 특성을 보여준다. 8/6의 구동 실험

을 통해 정격 속도는 2800[rpm], 정격 토크

는 1.7[Nm]에서 효율은 85.2[%]를 얻었다.

3.4 시작 전동기 소음 진동 특성 시험

시작전동기 외부하우징의 X축과 Y축 방향

에 가속도 센서를 부착하였다. 각각의 시작

전동기가 2,800[rpm]의 정격속도로 운전할

때 X축과 Y축의 가속도 센서의 출력값을

RION사의 UV-15모듈을 통해 증폭한 후, 오

실로스코프를 통해 측정하고 분석하였다. 사

용된 가속도 센서는 X축 방향과 Y축 방향에

각각 PV-95와 PV-85를 사용하였다. 시험은

동일한 조건에서 시작전동기의 진동을 측정

하기 위해 주변의 진동요소를 배제하였으며,

시작전동기는 정반 위에 부착된 다이나모미

터의 배드에 고정하였다. 또한 시작전동기와

마이크는 30[cm]의 거리간격을 가지도록 설

치하였다.

6/4 12/8 8/6

소음[dB] 70 60.1 66.1

X축 진동

[mm/s]0.94 0.22 0.74

Y축 진동

[mm/s]0.70 0.18 0.73

표 4. 소음 진동 시험 결과

표 4는 소음 진동 시험 결과를 나타낸다.

시작 전동기와 다이나모 배드의 고정 결합의

진동성분과 그 이외의 진동 성분으로 인한

오차를감안하더라도 소음 및 진동 특성은

12/8 SRM이 가장 강인함을 표 4를 통해 알

수 있다.

4. 결 론

본 논문은 자동차 냉각팬용 3상 6/4, 12/8

그리고 4상 8/6 SRM을 설계하였으며, 이를

유한요소해석에 의한 특성해석과 시작품 특

성 시험을 통해 제안된 전동기들의 성능을

검증하였다. 시작품 전동기의 최소 인덕턴스

와 최대 인덕턴스의 시뮬레이션과 실험 결과

에 의한 오차는 0.5∼1로 그 오차는 제작에

의한 오차로 오차 범위 내에서 허용된다. 측

정된 전동기들의 효율은 6/4와 12/8의 경우

는 81%, 8/6의 경우는 85.2%이다. 설계 값과

비교했을 때 실험값이 6/4와 12/8의 경우는

1%, 8/6은 3%정도가 높다. 이는 설계시 제

어기 및 제작상의 경험적인 오차를 미리 고

려하여 설계하였다. 그리고 제안된 전동기의

소음을 측정한 결과 극수가 많은 12/8이 6/4

및 8/6보다 소음 및 진동 특성에 강인함을

알 수 있었다. 그리고 설계 목표인 80%를

상회함으로 자동차용 냉각팬으로 우수한 성

능을 가짐을 검증하였다.

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