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A Study on the design of BLDC motor for engine cooling fanMay 26, 2017

Jun-Young, Kim

DAEDONG MOVEL SYSTEM


Contents

• 자동차산업과전동기− 전세계자동차시장동향

− 전기차시장동향

− 자동차전장품

• 차량엔진냉각팬용전동기− 전동기종류및분류

− 전동기손실및효율

− 엔진냉각팬용전동기특성

• 차량엔진냉각팬용전동기전자장분석− 전동기설계수순및 FEM 분석과정

− FEM을활용한특성해석


1. 자동차산업과전동기


1. 전세계자동차시장동향◎ 나라별 자동차 판매 현황

■ 세계 자동차 판매는 주요 시장의 성장세가 둔화되면서 금융위기 이후 가장 낮은 1.9%의 증가[9,068만 대]에 그칠 전망

■ 미국은 기준금리 인상에 따른 소비심리 악화 및 대기수요 소진으로 7년 만에 -0.1%의 마이너스 성장이 예상

■ 인도시장은 신모델 출시, 자동차 금융 확대 등으로 6.2%[310만 대]의 견조한 성장이 예상

■ 브라질은 감소폭은 둔화되지만 신차 부족, 플릿 수요 위축 등으로 5년 연속 역성장 전망

■ 국내 자동차 시장은 신차구입 지원 정책 종료 및 경기 부진으로 -3.5%[176만 대] 감소할 전망

[ 그림 ] 국가별자동차판매현황자료 : HMC 글로벌경영연구소


◎ 17년자동차산업 Key Points : 친환경자동차

■배출가스규제에대한시대적은트랜드로써전기차는의심의여지가없음

■배터리생산효율문제(충전시간및주행거리)로구매비용대비경제성이부족한현실

■국내하이브리드비중이 94%로대부분차치하는반면 EV는 2,900대수준으로미약

■ ‘16년중국의누적판매랑은미국과유럽을합한것보다많은연간약 50만대수준

■중국의경우전기차원가의 40% 이상을차치하는핵심배터리산업의패권을반듯이차지하려자국업체지원및혜택

1. 전기차시장동향

[ 그림 ] 글로벌전기차시장규모

자료 : Bloomberg, KAMA, KARI, 한양증권리서치센터 단위 : 만대


[ 그림 ] 자동차용전동기탑재사례

자료 : S&T 대우

1. 자동차전장품종류


[ 그림 ] 자동차단위당모터장착대수추이(일본기준)

자료 : 야노경제연구소, 한화증권리서치센터

[ 그림 ] 자동차용모터세계시장규모

자료 : 한화증권리서치센터

1. 자동차전장품(모터) 규모및추이


2. 차량엔진냉각팬용전동기


구분 동작원리 제품

Magnetic

Field Motor-

Electric

Field Motor Electrical Energy Mechanical EnergyElectric Field

Electrical Energy Mechanical EnergyMagnetic Field

2. 전동기구분


구분Heteropolar Homopolar

Brush DC BLDC (Brushless & Inverter) Brushless & Inverterless

개념도

Current type DC AC DC

정류구조기계식

(Brush + Commutator)

전자식(Inverter + Sensor)

불필요

Coil type Multi-turn Multi-turn Single-turn

Current Mag. Low Low Very high

Cost Low High High

수명Short

(Brush마모)

Very long

(Brushless)

Long

(대전류 / Slip ring)

Permanent Magnet

(Stator)

N S

Brush

Commutator+-

Coil

(Rotor)

N

S

Permanent Magnet

(Stator)

+

-

Slip-ring Brush

Coil

(Rotor)

N S

Rectifier

Semi-Conductor

Switch

Inverter

Permanent Magnet

(Rotor)

Coil

(Stator)

2. 전동기구분


Induction Motor Wound-Rotor

Type Synchronous

Motor

Surface Permanent-

Magnet Synchronous

Motor

Blushless DC Motor (BLDC)

Synchronous Reluctance Motor (SynRM)

Switched Reluctance Motor (SRM)

Etc.

Motor

AC Motor DC Motor

Induction Motor Synchronous Motor

Interior Permanent-

Magnet Synchronous

Motor

2. 전동기형상및종류


효율

비용소형경량

효율

비용소형경량

효율

비용소형경량

효율

비용소형경량

자동차

건설장비 2륜차

철도차량

2. 분야별전동기요구조건


Bearing

Shaft

Magnet

Rotor

Stator

Copper Loss

CoreLoss

(Eddy Current Loss &

Hysteresis Loss)

Etc. Stray load Loss

(Bearing, Shaft, Case)

Mechanical loss

(Friction & windage loss)

2. 전동기손실및효율

①단품효율 =토크𝑋속도

토크𝑋속도 +동손+철손+표유부하손

②단품효율 =토크𝑋속도−철손

토크𝑋속도 +동손+표유부하손


•동손저감은치집중권이가장유리 철손이증가할수있음

•극수가증가할수록동손은약간저감

•점적률을크게할수있으면동손은약간저감

한계

•마그네틱기본파성분에의한고정자철손•마그네틱고조파성분에의한고정자, 회전자철손•슬롯고조파에의한고정자, 회전자철손•캐리어주파수에의한고정자, 회전자철손

여러가지대책이있을수있음

2. 전동기손실저감(동손, 철손)


2. DDMVS 개발현황


2. 엔진냉각팬용전동기


Bosch Johnson

2. 양산현황


T

ω

Constant Torque Region

ωbase

Main Drive Region

● High Torque

☆ low speed ☆while stationary

High Pressuredifference

● Low Torque

☆ high speed

Large inflows of outside air

Copper loss Down

Core loss Down

2. 엔진냉각팬용전동기


3. 엔진냉각팬용전동기전자장분석


Unit Value

모터종류 ㆍ Outer Rotor BLDC

극 / 슬롯 ㆍ 10 / 12

회전자 외경 mm 138

dc link Vdc 13.5

상전류 Arms 90

상저항_25℃ (계산 / 실제) Ω 0.017 / 0.019

전류밀도 A/mm2peak 8.9

결선방법 ㆍ Star

권선경 mm 2

치당턴수 turns 16

역기전력 @ 3000rpm Vpeak 4.1

코깅토크Nm

(pk2pk)0.063

토크리플 %

출력 ( 해석기준 ) W

효율 %

3. 전동기사양


0

0

N

SS

N

SS

Parallel

Radial Back EMF

Back EMF

BLDC Motor PMSM

역기전력 근사사다리꼴 정현파

고정자권선 집중권 분포권

고정자전류 구형파 정현파

구동장치인버터

(2상여자방식으로구동되어각스위치는 120도통전)

3상인버터(3상여자방식으로구동되어각

스위치는 180도통전)

제어방식간단함,

홀센서에의한 60도씩구동

복잡함,위치센서를이용한벡터제어로

순시토크제어

토크리플 상전류전환시토크리플발생 작은토크리플

시스템가격 저가 고가

3. 전동기타입


2[T]

g

tk

g

g s

pB

D L

[Ampere conductor/m]m a

g

mZ Iac

D

3. 전동기설계수순및 FEM 분석과정


3

DCV

2

DCV

SVPWM

SPWM

6 STEP

2DCV

✓ Calculation of the voltage limit

➢ Phase Voltage limit

= R(Stator Phase Resistance)* Phase Input Current + Phase Induced Voltage

➢ Phase Voltage limit : Fundamental wave of phase voltage(Peak)

3. 전압제한설정


3. Noload @ 3000rpm

Stator Current 0A

전자장해석

결과

파형

결과

검토Bemf = 4 . 0 8 (Vmax) Cogging Torque= 0 . 0 6 3 (pk2pk)


3. 무부하해석및측정비교

전자장해석

결과

파형

결과

검토해석 Bemf = 4 . 1 (Vmax) 측정 Bemf = 4 . 4 (Vmax)

해석 Bemf @ 3000rpm 측정 Bemf @ 410rpm


3. 무부하선간전압 @ 3000rpm

Unit V Type

기본파 V 7.97

5고조파 / 기본파 % 0.56

7고조파 / 기본파 % 0.26

THD (90차까지 고려) % 0.03


3. 정토크구간 @ 3000rpm

Stator Current 0A

전자장해석

결과

파형

결과

검토Vab = 1 1 . 1 (Vmax), Va = 7 . 3 (Vmax) Torque= 2 . 7 8 ( N m ) , Torque Ripple = 2 7


3. 선간전압 @ 3000rpm

Unit V Type

기본파 V 9.95

5고조파 / 기본파 % 36


THD (90차까지 고려) % 0.5


3. 6-step 전압원 : FEM vs 실측

FEM 실측

모터입력전류

Peak 124 [A_pk] Peak 119

rms 88 [A_rms] rms 84


Mesh [Bad] Mesh [Good]

Torque ripple

4 %

CoggingTorque

23 %

Output >>

Efficiency <<

3. Mesh 상태에따른특성



Bemf

결과

파형

결과

검토Cogging Torque= 0 . 0 8 1 (pk2pk) Cogging Torque= 0 . 0 6 3 (pk2pk)



Torque

공극

자속

밀도

결과

검토Cogging Torque= 0 . 0 8 1 (pk2pk) Cogging Torque= 0 . 0 6 3 (pk2pk)




3. 선간전압 @ 3000rpm

Unit Mesh [Good]

기본파 V 9.95



THD (90차까지 고려) % 0.5

Unit Mesh [Bad]

기본파 V 10.06



THD (90차까지 고려) % 0.48


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