1. 서 론

최근 기존 DC 전동기에서 회전자에 영구자석을 채용한 BLDC 전동기(Brushless DC Motor)로 대체되고 있다. BLDC 전동기는 브러시와 정류자가 없으므로 전동기 내부의 기계적 마찰부가 없어서 영구적인 수명과 효율이 높은 장점이 있다. 또한, 소음 및 진동 특성이 우수하여 다양한 분야에서 사용되고 있다^(1-3). 이러한 특성을 가진 BLDC 전동기를 채용한 팬 블로워(Fan Blower)형 BLDC 전동기는 중심에 축이 있는 구조이다.

Fig. 1. Two types of motor structures with different shafts

그림 1(a)의 경우는 기존 비중공축 전동기 팬의 형상으로 중심축에 의해서 유체의 흐름이 막혀 있는 구조이며, 그림 1(b)는 중심축이 없는 중공축(Hollow shaft) 전동기 형상이다. 이러한 중공축 전동기는 로봇, 자동차 등을 비롯한 다양한 분야에서 배선 간편화, 경량화 등 요구의 증가로 다양한 연구가 진행되고 있다^(4-5). 기존의 중공축 전동기에서 중공은 로봇 팔이 기구에 일체화하기 위해 개발되었으나 본 논문에서는 유체의 원활한 이동을 위한 팬 블로워 등과 같은 유체 이송용 전동기의 특성을 연구한 것이다.

중공축 BLDC 전동기는 비중공축 BLDC 전동기에서 축의 부피만큼 중공이 되므로 중량이 감소하여 전동기의 경량화가 이루어질 수 있다. 중공축 BLDC 전동기는 축이 없어지면서 회전자의 중량은 감소하지만, 회전자의 자기 포화로 인한 손실로 전기적인 효율이 감소할 가능성이 크다. 따라서 중량이 감소하는 데 따른 효율 감소가 최소가 되는 중공축의 크기를 결정하는 것이 중요하다. BLDC 전동기는 속도의 변속과 제어가 쉽고 브러시형 DC 전동기와는 달리 수명이 길기때문에 초 미풍에서 초강풍까지 다양한 속도의 구현이 가능하다. 또한, 덕트형 환풍기와 같이 설치공간에 제약이 있고 소음을 최소화해야 하는 응용 분야에 다양하게 적용될 수 있다. 기존의 비중공축 BLDC 전동기에서는 축이 막혀 있어 축 부분에서 유체의 이동이 원활하게 이루어지지 않는다.

그림 2는 유체해석을 통해 비중공축 전동기와 중공축 전동기를 적용한 팬 블로워 주변의 유동분포를 나타낸 것이다. 일반적으로 상류 측에 압력이 감소하고 하류 측에 압력이 증가하게 되며, 압력이 감소하면 공기 흡입구로 유체의 속도가 가속된다. 중공축 팬의 경우 유동해석에서 유동이 팬의 중심에서 정체 없이 중공축을 통과하여 비중공축 팬보다 더 멀리 유동이 뻗어 나가는 것을 확인할 수 있다. 유동해석결과 중공축 전동기 및 팬의 구조가 유체의 이동에 있어서 유리하다는 것을 확인할 수 있다⁽⁶⁾. 하지만, 중공축을 적용하는 경우 비중공축 전동기와 달리 회전자의 두께가 얇아져 전동기의 성능 저하가 예상된다. 그러므로 전동기 특성 검토가 필요하다.

본 논문에서는 중공축의 크기를 조절하여 중량을 최대한 감소시키면서 에너지 효율이 기존 전동기와 동일한 200W급 중공축 BLDC 전동기를 설계하고 제작하여 실험을 통하여 특성해석의 타당성을 입증하였다.

Fig. 2. Fluid flow distributions around fan blowers

2. 기존 BLDC 전동기 특성 해석

2.1 기존 BLDC 전동기 해석 모델

BLDC 전동기의 중공축 크기를 결정하기 위해 기존의 비중공축 BLDC 전동기의 특성을 확인하여야 한다. BLDC 전동기를 유한요소법을 이용하여 특성 해석하기 위하여 유한요소법을 이용하여 해석하는 프로그램인 Flux 2D를 통하여 그림 3과 같이 비중공축 BLDC 전동기를 모델링하였다. 비중공축 BLDC 전동기와 효율적인 부분에서 차이가 있는지 확인하기 위하여 비중공축 BLDC 전동기와 중공축 BLDC 전동기의 설계 값은 동일하게 둔다. 설계된 전동기는 20극, 24슬롯, 3상 전동기로 자세한 설계 제원은 표 1과 같다.

Fig. 3. The shape of the conventional BLDC motor

Table 1. Design specifications of shafted BLDC motor

구분	항목	설계 값	단위
사양	정격출력	200	[W]
	입력전압	48	[V]
	정격전류	5.4	[A]
	정격 회전속도	3500	[rpm]
	정격 토크	0.54	[N.m]
	극/슬롯/상	20/24/3
공극	길이	0.5	[mm]
회전자	외경	47	[mm]
	내경	10	[mm]
	영구자석 두께	3	[mm]
	축 길이	13	[mm]
축 (Shaft)	외경	10	[mm]
고정자	코일 수	80	[Turns]
	외경	85	[mm]
	내경	54	[mm]
	축 길이	13	[mm]

BLDC 전동기 설계에 있어서 고정자 부분의 설계는 고정되어있는 제원으로, 코일 수는 집중권을 사용하여 상당 80[Turns]씩 감았으며 회전자에 사용된 영구자석은 희토류 자석으로 NdFeB(42SH)를 사용하였다. 영구자석의 잔류자속밀도는 1.2[T]로 반발식 자화 방향으로 착자되었다.

2.2 기존 BLDC 전동기의 특성해석

기존 BLDC 전동기의 해석결과 그림 5는 등포텐셜과 자속밀도 분포를 나타낸다. 그림 4(a) 등포텐셜로부터 전동기가 10극으로 구성되고 해석이 정상적으로 이루어졌음을 알 수 있다. 또한, 그림 4(b)로부터 자속밀도가 공극과 고정자 치에 집중되고 회전자에는 거의 통과하지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 회전자 철심을 공극으로 하여도 어느 정도 전동기 성능에 영향을 미치지 않는 것을 예측할 수 있다.

그림 5는 비중공축 BLDC 전동기의 1/4 모델에 대하여 자속 밀도 벡터를 나타내며 낸다. 그림으로부터 자속의 방향이 올바르게 해석되었으며 회전자 철심에도 어느 정도 자속이 통과함을 알 수 있다.

표 2는 비중공축 BLDC 전동기 특성 해석을 나타내고 있다. 정격 속도 3500[rpm]에서 출력 199.89[W], 토크 0.545[N∙m]를 확인하였다. 기계손은 시뮬레이션을 이용하여 구할 수 없어 이론적으로 계산한 값을 사용하였다.

Table 2. Characteristic analysis of shafted BLDC motor

구분	값	단위
출력	199.89	[W]
토크	0.55	[N.m]
철손	9.88	[W]
동손	22.8	[W]
와전류손	1.04	[W]
기계손	4.07	[W]
입력	237.65	[W]
효율	84.11	[%]

Fig. 4. The equipotential line and magnetic flux density distribution of shafted BLDC motor

Fig. 5. The magnetic flux density vector of shafted BLDC motor

3. 중공축 BLDC 전동기 특성 해석

3.1 중공축 BLDC 전동기의 중공크기 결정

축을 가진 BLDC 전동기가 유체를 원활하게 하도록 중공을 준다. 중공이 커짐에 따라 특성의 변화를 확인하여 기존의 비중공축 BLDC 전동기와 비슷한 전기적 특성을 갖는 중공의 크기를 중공축 BLDC 전동기의 중공 크기로 채택하여야 한다. 그러므로 중공의 직경을 증가시키면서 그에 따른 특성을 비교하였다. 중공 크기는 앞서 해석한 비중공축 BLDC 전동기의 축의 크기인 10 [mm]를 기준으로 하였다. 기준에 따라 8 [mm]씩 증가하였으며, 회전자의 직경이 47[mm]임을 감안하여 중공축의 최대 길이는 46[mm]로 선정하였다.

표 3은 중공축 직경의 증가에 따른 전동기의 특성해석 결과다. 중공축 직경에 따른 효율은 중공축 직경이 42[mm]까지는 거의 변화가 없다가 42[mm]보다 커지게 되면 효율과 출력의 값이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 중공축의 직경 46[mm]에서 동손의 증가로 인해 효율이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그림 6은 표 3에서 구한 결과를 그림으로 나타낸 것이다. 따라서 본 논문에서는 비중공축 BLDC 전동기와 효율이 유사한 중공축의 크기를 42 [mm]로 결정하고 중공축 BLDC 전동기를 설계하였다.

Fig. 6. The efficiencies diameters of hollow shaft

Table 3. Characteristic analysis according to the diameters

구분	값
중공축 직경 [mm]	10	18	26	34	42	46
출력 [W]	199.9	199.9	199.9	199.9	199.9	199.8
토크 [Nㆍm]	0.545	0.545	0.545	0.545	0.545	0.545
동손 [W]	22.8	22.8	22.8	22.8	22.8	25.29
와전류손[W]	1.04	1.04	1.04	1.04	1.04	0.42
철손 [W]	9.86	9.88	9.88	9.88	9.89	9.84
기계손 [W]	4.07	4.07	4.07	4.07	4.07	4.07
입력 [W]	237.7	237.7	237.7	237.7	237.7	239.4
효율 [%]	84.09	84.09	84.09	84.09	84.09	83.46

3.2 최종 중공축 BLDC 전동기 특성해석

최종 중공축 BLDC 전동기를 3D로 해석하였다. 코일의 형상을 만들 경우 무수히 많은 mesh가 생겨 더 많은 시간이 소요되기 때문에 Flux 상의 Non-mesh Coil 기능을 사용하여 그림 7과 같이 실제의 모델과 비슷하게 코일의 형상을 구현하였다.

Fig. 7. 3D design shape of hollow shafted BLDC motor

그림 8은 중공축 BLDC 전동기 3D 모델의 mesh 형상이다. 또한, 자세한 해석을 위하여 공극 부분과 맞닿는 치와 마그넷의 단면적의 mesh의 수를 늘려 해석을 진행하였다. mesh 영역은 253,706개로 이루어져 있다.

Fig. 8. 3D mesh shape of hollow shafted BLDC motor

표 4는 중공축 BLDC 전동기의 3D 해석결과를 나타낸다. 표 4에서 확인할 수 있듯이 중공축 BLDC 전동기의 특성은 비중공축 BLDC 전동기와 거의 동일한 것을 확인할 수 있다.

Table 4. Characteristic analysis of hollow shafted BLDC motor

구분	값	단위
출력	200.5	[W]
토크	0.547	[N∙m]
철손	5.92	[W]
동손	24	[W]
와전류손	1.04	[W]
기계손	4.07	[W]
입력	235.5	[W]
효율	85.14	[%]

표 5는 두 모터의 중량을 비교한 것이다. 비중공축BLDC 전동기의 축 재질은 SM45C이며 밀도는 7.6[g/㎤]이고 중공축 BLDC 전동기의 축 재질은 알루미늄(Al)이며 밀도는 2.71[g/㎤]이다. 두 전동기의 중량은 중공축 BLDC 전동기의 경우가 기존의 비중공축 BLDC 전동기보다 33.06 [%] 감소하여 경량화가 이루어졌다.

Table 5. The weights of shafted and hollow shafted BLDC motors

구분			비중공축 BLDC 전동기	중공축 BLDC 전동기	단위
고정자		재질	SM45C
		중량	198.033		[g]
회전자	영구자석	재질	NdFeB
		중량	37.399		[g]
	철심	재질	SM45C
		부피	21.533	4.543	[㎤]
		중량	170.111	34.527	[g]
	축	재질	SM45C	알루미늄(Al)
		부피	1.021	2.481	[㎤]
		중량	7.759	6.724	[g]
총 중량			413.302	276.683	[g]

4. 중공축 BLDC 전동기 특성 시험 및 결과 분석

그림 9는 실제 중공축 BLDC 전동기의 제작품 사진이다. 그림 9(a)는 전동기의 정면을 나타내고 있으며, Flux 3D로 모델링한 전동기와 유사한 모습을 가지고있다. 그림 9(b)는 알루미늄 중공축을 끼운 모습이다.

Fig. 9. Prototype of hollow shafted BLDC motor

BLDC 전동기의 경우 브러시와 정류자가 없어 기계적인 소음은 없어졌지만, 그 외 회전자와 고정자 간의 릴럭턴스 불균형이 발생하여 코깅 토크가 생기게 된다. 코깅 토크의 값이 커질수록 토크리플 값도 커져 구동시스템의 성능 저하에 영향을 미치며 소음 진동의 원인이 되기 때문에 코깅 토크의 확인이 필요하다^(7-8). 코깅 토크를 확인하기 위해 무부하로 해석을 진행하였다. 주기는 기계각 15°이며 Peak-to-peak 값($T_{pp}$)으로 확인하였다.

Fig. 10. Cogging torque of hollow shafted BLDC motor

본 논문의 전동기 모델은 20극 24슬롯으로 전기각 180°(기계각 15°)에서 5주기가 발생한다. 3상 20극 24슬롯의 중공축 BLDC 전동기의 코깅 토크는 0.0129 [N.m]로 확인하였다.

그림 11은 한국기계전기전자시험연구원(KTC)에서 실시한 BLDC 전동기 특성실험 장치이다. 정격 출력은 정격 속도 3,500[rpm]에서 200.5 [W], 0.546[N∙m]이며, 효율은 86.93[%]이다. 표 6은 특성시험과 해석을 비교한 것으로 출력, 토크 및 정격전류의 결과가 유사한 것을 확인할 수 있다. 수치적인 계산을 통한 해석의 경우 드라이버의 특성을 살린 시험과는 달리 모든 값을 일정하게 줄 수 있지 않아, 기계손 등의 손실 측면에서 오차가 발생한 것으로 생각된다.

Fig. 11. Test equipment of hollow shafted BLDC motor

비중공축 BLDC 전동기과 중공축 BLDC 전동기를 장착한 배풍기의 유량 및 소음을 비교하여 표 7에 나타내었다. 비중공축 BLDC 전동기에 중공축 BLDC 전동기를 장착한 중공축 배풍기의 소음은 거의 비슷하였으며, 유량은 약 11[%] 증가함을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

배풍기의 유량 효율을 높이고 전동기의 중량을 줄이기 위해서 기존 200W급 BLDC 전동기에 대해 축을 중공축으로 한 중공축 BLDC 전동기를 설계하고 그 특성을 해석하였다. 먼저 기존 전동기에 비해 효율이 비슷하게 하기 위해 중공축의 크기를 결정하였다. 또한 중공축 전동기를 설계, 제작하여 실험과 해석 결과를 비교하였다. 설계 결과 중공축 BLDC 전동기는 기존 BLDC 전동기보다 중량이 33.06 [%] 감소하여 경량화가 이루어졌으며 그에 따라 비용을 절감할 수 있다. 또한 유량 실험 결과, 중공축 BLDC 전동기 팬이 비중공축 BLDC 전동기 팬에 비해 유량이 약 11[%] 증가하는 것을 확인할 수 있다. 중공축 BLDC 전동기는 유체의 이동이 원활하게 이루어져야 하는 제품인 액체 펌프 및 송풍기, 환풍기, 선풍기 그리고 헤어드라이어 등 여러 분야에 적용할 수 있어 활용도가 증가할 것으로 예상한다.