고속 응용 분야에서 성능을 최적화하고 크기를 최소화하는 방법



고속 응용 분야에서 성능을 최적화하고 크기를 최소화하는 방법




I. 소개


현재 고속 응용 분야용 무브러시 DC 모터에 대한 요청이 증가하는 추세입니다. 예를 들어 새로운 임펠러 기술을 통해 최근의 호흡기는 작고 조용하게 조용한 쪽으로 설계 방식이 변경되었습니다. 이러한 성능은 최대 50 ~ 60 Krpm을 회전하고, 환자의 호흡 패턴과 동시에 높은 가속화 및 감소화를 제공할 수 있는 모터가 필요합니다.


다른 예로 수술 및 치과 손 도구가 있습니다. 이들은 훨씬 더 강하고 작아져야 합니다. 그렇게 하는 한 가지 방법은 원하는 설치 공간 내에서 필요한 힘과 성능을 제공할 수 있는 고속 무브러시 모터를 사용하는 것입니다.


기계적 힘은 토크와 속도의 산물입니다. 힘을 증가시키기 위해 토크를 증가시키거나 속도를 증가시킬 수 있습니다. 일반적으로 지정된 기술의 경우 연속 토크는 모터 크기와 관련됩니다. 연속 토크는 종종 열 고려사항으로 제한됩니다.



예를 들어, 정지 시 또는 저속에서 모터가 소비하는 유일한 힘은 줄 손실(joule losses)입니다.
관련 기호


T = 모터 토크
RTh1 = 열 저항 코일-고정자
RTh2 = 열 저항 고정자-공기
K = 모터 토크 상수
R = 모터 코일 저항
Pj = 줄 효과로 소멸된 힘
ΔT = 가능한 최대 코일 온도 증가
ΔT = (RTh1 + RTh2). Pj = (RTh1 + RTh2).R.I² = (RTh1 + RTh2). R. T²/ K²



(RTh1 + RTh2). R / K²_은 모터를 특징짓는 탁월한 성능 지수를


모터 설계자는 고속 구속조건을 고려하지 않고, 모터가 지정된 힘을 내기 위해 낭비할 수 있는 토크를 최적화하려고 합니다. 성능 지수 R/ K²는 모터를 특징짓는 좋은 요인입니다. 값이 작을수록 모터는 좋아집니다. 좋은 모터는 저항이 작고 토크 상수가 높아야 합니다.


토크 상수는 자석 회로에 따라 달라지므로, 모터 설계 중 목표는 권선을 지나는 자석이 최대 플럭스를 생성하는 것입니다. 토크 상수를 증가시키는 한 가지 방법은 현재 50 MGoe에 근접한 NeoFe와 같은 더 강한 자석을 사용하는 것입니다.


줄 손실을 줄이기 위해서는 목표가 권선 구간을 가능한 크게 하여 구리 저항을 가장 적게 하는 것입니다.


R/ K² 최적화 후, 최대 토크는 지정된 모터 크기의 열 제한으로 제한됩니다. 따라서, 힘을 증가시키는 다른 매개변수는 속도를 증가시키는 것입니다.



이론상으로는 간단히 전원 공급장치의 전압을 증가시켜 속도를 증가하는 것이 쉬워 보입니다. 그러나, 속도를 증가시키면 다음과 같은 이유로 더 많은 열이 발생합니다.
• 철 유실
• 베어링 마찰 손실
• 전류 리플 생성 손실


와전류(Eddy current)로 인한 철 유실은 자속으로 생성된 라미네이션 t에서 전류 순환으로 생성된 유실입니다.



관련 기호
Φ = 자속
B = 철의 유도
Φ = ∫∫ BdS


자속 변동은 변압기와 같은 재료가 보조 코일에서 일으키는 내부 전류를 생성합니다. 이 전류에 대한 방정식은 다음과 같습니다.



O = RI+ dΦ / dt



I = 철 내 전류
R = 철 저항
와전류로 인한 철 유실 = RI² ≅χ. B².w²


χ 이것은 설계와 재료 사용과 연계된 매개변수입니다.
와전류로 인한 철 손실은 철의 유도 제곱과 주파수의 제곱에 따라 달라집니다.


철 손실을 줄이기 위해 전기 저항이 높은 더 얇은 라미네이션을 사용합니다.
라미네이션이 얇을수록, 전류 루프는 길어져, 회전의 저항을 증가시킵니다.



이력 현상으로 인한 철 유실
자기장을 전도하는 데 사용된 자기 물질은 이력 현상을 나타냅니다. 이 물질 내 유도는 아래 그림에 설명된 대로 주기를 따릅니다.



물질의 이력 현상으로 인한 유실 유형은 다음과 같습니다.
P hyst =∫ HdB


그 결과,



Physt = μ.λ.B².w²



사용된 물질의 투자율과 관련된 μ과 함께 λ 매개변수는 물질 부피 및 보자력과 연계됩니다. 고속용으로 설계된 모터의 경우, Fe Ni와 같은 작은 보자력장을 가지는 재료를 사용합니다.


앞서 설명했듯이, 철 유실은 철 라미네이션의 유도 제곱 및 주파수의 제곱에 따라 달라집니다. 이러한 이유로 해서, 일반적으로 폴 쌍이 많은 모터는 속도 제한이 있습니다. 대부분의 경우, 설계에 따라, 2 폴 쌍을 가지는 모터는 1 폴 쌍을 가지는 모터보다 철 유실이 더 많지만, 이 모터는 더 좋은 R/K^2을 가질 수 있습니다.




II. 고속 응용 분야에 대한 무브러시DC 모터 최적화


A- 다른 유형의 무브러시 DC 모터


기술 용어에서 무브러시 DC 모터에는 슬롯형과 무슬롯, 크게 두 가지 유형이 있습니다. 이 명칭은 모터 고정자의 구성을 나타냅니다.


다음 그림은 슬롯형과 무슬롯 고정자 설계를 나타냅니다.




슬롯형 고정자 모터.
코일이 슬롯 내에 감겨 있습니다. 라미네이션(고정자)과 자석 간의 공기 간극이 작으므로 라미네이션의 자기 유도는 매우 높습니다. 따라서, 작은 자석 지름을 사용할 수 있습니다. 구리 부피는 슬롯 공간과 슬롯 내 권선의 어려움으로 제한됩니다. 코일을 고정자 슬롯 내에 두면 코일/고정자 조립체의 열 저항을 줄이는 이점을 제공합니다.


전류 없이, 회전자는 라미네이션 앞 자석 위치를 선호하여 코깅 토크 또는 디텐트 토크를 생성했습니다. 디텐트 토크를 줄이는 한 가지 방법은 라미네이션을 기울이는 것입니다. 코일이 라미네이션에 삽입되어 있으므로 설계상 슬롯형 모터는 매우 안정적입니다. 설계상 길이/지름 비율이 큰 모터를 작성할 수 있습니다.



무슬롯 고정자 모터
무슬롯 모터에서는 코일이 개별 외부 작업에서 권선되고 "자급" 유형입니다(아래 그림 참조). 이 코일은 모터 조립 중 공기 간극에 직접 삽입됩니다.


이 설계에서는 공기 간극이 증가하므로 코일의 자극 유도가 줄어듭니다. 따라서, 모터 지름은 일반적으로 최적의 구리 부피로 이상적인 자기 유도를 갖도록 최적화됩니다. 일반적으로 설계상 이러한 모터의 유도는 슬롯형 무브러시 모터보다 훨씬 더 작습니다. 일반적으로 큰 자석은 유도 유실을 보상하는 데 사용됩니다. 회전자의 관성은 지름의 제곱을 따르므로, 일반적으로 무슬롯 모터의 관성은 슬롯형 모터보다 큽니다.
R/K² 용어에서, 유도 대 구리 부피가 최적화되었으므로, 무슬롯 모터는 좋은 성능 지수를 가집니다. 순환 회로가 없는 회전자는 연속 도자율을 보이므로, 무슬롯 모터는 코깅/디텐트 토크를 가지지 않습니다. 설계상 무슬롯 모터에서는 높은 속도의 철 유실이 크게 감소됩니다.


응용 분야의 요구사항에 따라, Portescap은 최적의 성능(최대 토크, 열 감소, 효율성 증가, 진동 감소)을 위해 슬롯형 또는 무슬롯 모터를 권장할 수 있는 이점을 가집니다.



B- 고속 응용 분야용 모터 최적화


이전에 서로 다른 유형의 모터 기술을 다루었지만, 둘 다 동일한 물리학 방정식을 따릅니다.


실제로, 토크를 얻기 위해 적절한 R/K²을 가지는 모터를 고려해야 합니다. 우리가 알고 있듯이, 자석이 생성한 유도를 증가시킬 경우 이 숫자는 증가합니다. 그럼에도, 철 유실은 유도의 제곱뿐만 아니라, 회전자 속도의 제곱에 따라 달라짐도 확인했습니다.
아래 그림은 2개의 모터를 나타냅니다.



A. 낮은 속도에서 유실이 적지만 높은 속도에서 유실이 많은(줄 손실 + 철 유실) 강한 R/K² 소실 모터.
B. 더 낮은 R/K²을 가지는 모터



최적화 위상에서 설계 엔지니어는 지정된 응용 분야의 작업점에 따라 유실을 최적화합니다. 작업점은 토크와 속도로 정의됩니다.




III. 응용 분야 예


• 호흡기용 고속 모터

이러한 응용 분야의 모터는 환자의 호흡 패턴과 동시에 몇 밀리초(ms)만에 몇 천 rpm에서 50 Krpm까지 증가할 수 있어야 합니다. 임펠러를 회전하는 데 필요한 토크는 몇 Oz 인치 범위에

이릅니다. 대부분의 토크는 임펠러를 가속화 및 감소화하는 데 사용됩니다. 모터 온도를 제어하는 것은 환경에 중요하지만(환자가 공기를 들이마심) 모터 내 볼 베어링의 수명에도 중요합니다.

환기 모터 분야의 선도 업체인 Portescap은 최근에 줄 손실 대 철 유실이 훨씬 더 엄격한 필요성을 이행하도록 최적화된 이 특정 응용 분야의 새 모터 제품군을 개발했습니다.




• 수술 손 도구용 모터

수술 손 도구용 모터는 고속으로 실행하여 가벼운 패키지에서 힘을 생성하고, 외과 의사가 편안하도록 낮은 온도에서 실행해야 할 뿐만 아니라, 고온고압 멸균 처리 과정을 견딜 수 있어야 합니다.

자기 회로를 최적화하여 Portescap은 하우징에서 43°C를 초과하지 않고 최대 80,000 rpm 속도에서 토크의 Oz.in을 거의 전달하지 않을 수 있는 16 mm 지름의 모터를 설계할 수 있었습니다.

Portescap이 고온고압 가능 모터 제조에서 20년 이상 쌓은 경험은 고객이 1,000회 이상의 고온고압 주기를 거쳐 수술 손 도구 내에서 완전히 기능을 발휘할 수 있다고 보고한 설계를 끌어냈습니다.




IV. 결론

전자 모터는 끊임 없이 시장에 나오고 있는 새로운 물질과 더불어 계속해서 발전하고 있습니다. 현재 NeoFe 자석은 50 MGoe에 도달하고 있으며 제한된 손실을 제공하는 새로운 라미네이션 물질을 사용하여 매우 높은 속도에서 전기 모터를 사용할 수 있습니다. 각 응용 분야의 최적의 설계를 위해서는 사양을 자세히 이해하는 것이 중요하며, Portescap은 각 응용 분야에 최적의 솔루션을 제공하기 위해 몇 가지 모터 기술을 개발했습니다.

Figure 1

Portescap

Figure 2

Portescap

Figure 3

Portescap

Figure 4

Portescap

Figure 5

Portescap

Figure 6

Portescap

Figure 7

Portescap

Figure 8

Portescap

Figure 9

Portescap