Ⅲ. MotorPro BLDC - 『모터전문회사』- 코모텍에 오신걸 ... BLDC...KOMOTEK Co., Ltd. MotorPro - 19 - Chap Ⅲ. MotorPro BLDC 2. Tutorial BLDC 각 설계변수들과 형상치수에

KOMOTEK Co., Ltd. MotorPro

- 18 - Chap Ⅲ. MotorPro BLDC

Ⅲ. MotorPro BLDC

1. Overview MotorPro 는 BLDC, PMDC, SRM 의 세가지 type 을 지원하며, 이중 이장에서 다룰

BLDC 는 Brushless DC Motor 를 의미한다. 즉 BLDC Motor 는 PMDC 모터에서 기계적으

로(brush 와 commutator 에 의하여) 행해지던 정류작용을 반도체 스위치를 이용하여 전

기적으로 대체한 것으로 미래형 고효율 모터로서 각광을 받고 있는 모터이다. BLDC 모

터는 그 이름의 모호성에서부터 알 수 있듯이 그에 대한 정의가 혼용돼서 사용되고 있

다. 따라서 본장에서는 먼저 MotorPro 가 포함하는 BLDC 모터의 범위를 분명히 하고자

한다.

MotorPro 에서 BLDC 라 함은

영구자석 DC 모터를 뒤집어 놓은 것과 동일한 모양 즉 내부에서 회전하는 영

구자석과 외부에 고정된 전기자를 갖고 있는 가장 일반적인 형태의 bldc 모터

영구자석 DC 모터와 동일한 구조이지만 brush 와 commutator 가 없고 외부의 영

구자석이 회전하는 exterior bldc 모터

회전자에 유기되는 역기전력 파형이 sinewave 꼴인 PMAC 혹은 BLAC 라고 불

리우는 동기모터를 모두 포함하는 의미이다.

, 는 DC 모터와 같이 사다리꼴 모양의 역기전력 파형를 갖고 그에 따라 사다리꼴

모양의 전류에 의해 동작이 되기 때문에 DC 모터와 동일한 해석 방법이 적용되고,

은 역기전력 파형과 전류의 파형이 모두 정현파의 형태를 띄기 때문에 일반 동기전동

기의 해석 원리를 따른다는 점에서 차이가 있으나 영구자석을 계자로 사용하고 Inverter

회로에 의해 구동된다는 점 그리고 자석 모양, 권선방법 그리고 skew 등에 의해 역기

전력 파형을 사다리꼴 혹은 정현파 모양으로 만들 수가 있기 때문에 둘 사이의 구분을

없애고 하나의 범주에 포함시켰다.



2. Tutorial BLDC

각 설계변수들과 형상치수에 대한 물리적 의미와 설명은 §III.3 에서 하도록 하고,

이장에서는 간단한 따라하기 예제를 연습해보도록 한다(주로 default.bldc 파일설정을 그

대로 쓴다).

2.1 General procedure of Motor design.

아래의 순서대로 설계변수들을 설정한다:

Topology→Stator→Rotor→Side→Winding→Material→Etc→ Control

MotorPro 프로그램을 실행시킨후 File 메뉴에서 New 메뉴를 선택해서, BLDC-

interior 를 선택한다. 그러면 메인 화면은 아래와 같다.

Fig. 3.1. New-BLDC(interior) 선택후의 메인 화면.

Interior Motor

모터 구조에서 회전 자석계자가 내부에 있고 고정 전기자가 외부에 있는 모



터를 지칭한다.부하에 대한 빠른 가속, 감속이 필요한 모터에 주로 사용된다. (토

크) / (관성 모멘트) 의 비율이 높을수록 좋다

Exterior Motor

모터 구조에서 회전 자석계자가 외부에 있고 고정자가 내부에 있는 모터를 지

칭한다. 빠른 회전 속도와 중간 회전 속도에서 정속도를 필요로 하는 모터에 주로

사용된다.

맨 처음으로 topology 를 정해야 하는데, 다음과 같이 설정해보자: 4pole, 24slots

(phase 수는 3 으로 고정된다).

Fig. 3.2. Topology dialog box.

다음으로 stator 설계 변수들을 다음과 같이 기본값을 그대로 받아들이자: RadS-

56mm, RadSI-30.5mm, TW-3.6mm, SO-2mm, TGD=0.7mm.



Fig. 3.3. Stator dimension 결정.

다음으로 rotor 설계 변수들을 다음과 같이 기본값을 그대로 받아들이자:

RadRO-29.4mm, RadRI-20mm, Rshaft-10mm, Lm-9.4mm.

Fig. 3.4. Rotor dimension 결정.

다음으로 축 설계변수를 다음과 같이 기본값을 받아들이자 : MOH-4.5mm, Skew-

0, Lend1-20mm, Lend2-20mm, LoffM-1.5mm. Lstk-75mm.



Fig. 3.5. Motor Side dialog.

축 형상은 기본적으로 아래와 같이 9 단으로 구성되어 있다.

Fig. 3.6. 기본 축형상.



다음으로 권선 설계변수를 다음의 기본설정을 그대로 받아들인다: Type-Integral

Slot Winding, Wire Dia.=0.8, Throw-5, NSH-1, TC-56(turns per coils).

-Wire 직경을 변경하려면 Change 버튼은 누른다.

Fig. 3.7. 권선 설계변수 설정.

다음으로 재료 설정을 다음의 기본설정을 그대로 받아들인다: stator steel – RM23,

rotor steel – RM23, magnet – TOKIN_SR-2H.

Fig. 3.8. 재료 설정.

재료 종류를 바꾸려면 각각의 Mod.버튼을 누르면 된다(버튼을 누르면 아래의

대화상자가 열린다).



Fig. 3.9. 재료 종류 변경.

다음으로 Etc 변수들을 다음과 같이 기본 설정값을 그대로 받아들인다 : Mtemp-

20, Wtemp-20, MTempL: -10,DegCW-0.9, Liner-0.5, MWF-1.5, 그외-1.



Fig. 3.10. Etc 설정.

다음으로 제어 변수들을 다음과 같이 기본설정값을 그대로 받아들인다: RPM-

3000, I_line[rms] -3.2, Vs-310.

Fig. 3.11. 제어 변수 설정.

모든 설계변수들이 결정되면 Output tab.내의 Common -Input Para.에서 그 설정값

들을 확인할 수 있다.



Fig. 3.12. Input parameter 확인.

아이콘을 누르면 아래 그림처럼 MMF 분포를 볼 수 있다.

Fig. 3.13. MMF 분포.

이상태에서 Main 화면의 toolbar 에서 회전버튼( )을 눌러서 회전자가

회전할 때의 MMF 분포를 볼 수 있다.



2.2 FEA (Finite Element Analysis)

Output tab.의 FEM 에서 FE (Finite Element) 해석을 수행할 수 있다. FEA Exprs.는

Tools-Options-FEM Options 에서 설정한 파라미터로 곧바로 해석이 수행되고, FEA

Custom 을 누르면 다음과 같은 창이 뜬다.

Fig. 3.14. FE 해석 초기화면.

FE 해석을 수행하고 나면, FEM 도구모음 아이콘들이 활성화된다.

→

Fig. 3.15. FEM 아이콘 활성화.

그후, Kt(Torque constant), Inductance, Loss 등의 설계 변수들이 update 되고



이것은 Output Para. 에서 확인 가능하다.

다음과 같은 FEM 해석결과를 확인할 수 있다: Mesh(요소분할), Equipotential

line(등전위선), Flux density(자속밀도), Flux density on line(선간 자속밀도), Flux density

on arc(호를 따르는 자속밀도), etc. FE 해석을 한 후, 하나하나 결과를 확인해보자..

Mesh 버튼( )을 누르면, 모터 요소모양을 볼 수 있다.

Fig. 3.16. 요소모양.

Equipotential Lines 버튼 ( )을 누르면, 등전위선을 볼 수 있다.

Fig. 3.17. 등전위선.

Flux Density 버튼 ( )을 누르면, 자속밀도 분포를 볼 수 있다.



Fig. 3.18. 자속밀도 분포.

Point 버튼 ( )을 누르고 모터형상내의 한점을 클릭하면, 클릭한 점에서의

자속 밀도의 크기와 r방향 성분값, θ 방향 성분값, x축 방향 성분값, y축 방향

성분값을 확인 할 수 있다.

Fig. 3.19. 지정된 점에서의 자속밀도 값.

Line버튼 ( )을 누르면, 지정된 두점 사이의 직선을 따르는 자속밀도를 볼

수 있다. 두점 사이의 간격을 100등분하여 0이 Start Point, 100이 End Point가 되도록

하여 보여준다. 두 점을 클릭한 후 Ok버튼을 누르면 된다.



Fig. 3.20. 두점을 지정.

Fig. 3.21. 두점사이의 직선상의 자속밀도분포.

Arc버튼 ( )을 누르면, 지정된 점을 중심으로 하여 지정된 반지름, 시작각과

끝각을 따르는 자속밀도를 볼 수 있다. 두점 사이의 간격을 100등분하여 0이 Start

Angle에 해당하는 점, 100이 Finish Angle에 해당하는 점이 되도록 하여 보여준다.

한점을 선택한 후(이점이 호의 중심이 된다), 반지름, 시작각, 마침각을 입력한 후

Ok버튼을 누르면 된다. 반경방향과 원주방향에 대한 그래프를 각각 볼 수 있다.



Fig. 3.22. 중심과 반지름, 시작각과 끝각 지정.

Fig. 3.23. 두점 사이의 곡선상의 자속밀도 분포-반경방향과 원주방향.

Output tab.의 FEM only에서 Flux distribution in Air Gap 버튼을 누르면,

공극자속밀도를 볼 수 있다.

Fig. 3.24. 공극 자속밀도.



3. Input 모터의 형상과 특성을 입력하는 부분이다. 각각의 버튼들은 대화상자를 갖고 있으며

사용자는 그 내용들을 변경하여 자신이 원하는 모터를 만들어 갈 수 있다. 대화상자가

활성화된 상태에서 Main Window 의 어떠한 작업도 행할 수가 없다(다른 작업을 하려면

대화상자를 닫아야 한다). 그리고 대화상자의 변수명들에 대한 설명을 보고자 한다면

대화상자가 활성화 된 상태에서 ‘F1(Help)’ key 를 눌러서 그 대화 상자에 대한 도움말을

볼 수 있다.

각각의 대화상자는 그림이 있고 없음에 따라서 두개 혹은 세개의 버튼을 갖는다.

Display window 가 있는 대화 상자의 경우 ‘Ok’ , ‘Apply’, ‘Cancel’ 3 개의 버튼을 갖고 그

렇지 않은 경우는 ‘Ok’, ‘Cancel’ 두개의 버튼을 갖는다. Ok 는 대화상자를 종료함과 동

시에 주어진 입력을 받아들여 기존의 변수 값들을 갱신하고, Apply 는 새로운 입력으

로 단순히 그림을 다시 그리고, Cancel 은 현재의 값을 무시하고 기존의 값을 그대로

유지함을 의미한다.

3.1 Topology 결정

모터의 기본 사양인 극수, 슬롯수를 결정한다. 극수는 짝수(even number)이어야

하고, BLDC 의 경우 슬롯수는 상수의 정수배이어야 한다. 상수는 3 으로 고정된다.

Fig. 3.25. Motor Topology 결정.



Topology 대화상자의 입력 변수들은 모터의 가장 기본적인 설계변수들이다. 따

라서 설계나 해석을 수행하기 이전에 가장 먼저 결정되어야 한다. 특히 모터의 권

선 정보를 저장하기 위하여 MotorPro 는 내부적으로 동적인 메모리 할당을 하게 되

고, 이 값들은 Topology 대화 상자의 변수들인 Poles, Slots, Phases 등과 매우 밀접한

관련을 갖는다. 따라서 만약 입력변수를 입력하는 도중 혹은 입력이 완료된 후에

topology 대화상자의 내용을 변경하게 되면 권선 정보를 담고 있는 메모리영역이

해제(free)되어 사용자는 다시 권선 정보를 입력해야 한다.

3.2 Stator design

다음으로 Stator 과 Rotor 의 형상을 디자인해야 한다. MotorPro 는 대부분의

Stator/Rotor 형상을 제공 하고 있지만, 차후 필요할 형상들에 대비해서 제공되지

않는 형상을 DXF(AutoCAD file)로 직접 제작하여 붙여볼 수 있기 때문에 유연

성이 매우 좋다.

Stator 의 형상을 디자인하기 위해서는 Stator 버튼을 선택하고, Rotor 의 형상을

디자인하기 위해서는 Rotor 버튼을 선택한다.

Stator 버튼을 누르면 아래그림과 같은 창이 나타난다. 각 항목에 대한 설명은

다음과 같다.



Fig. 3.26. Stator Window.

1) Type 설정 버튼

2) 치수 입력 창

3) Tool 버튼

4) Display 창

5) Print 버튼

6) Copy to Clipboard 버튼

7) 마우스 위치 좌표

8) mode 정보 – DXF Import 하면 DXF mode 로 바뀐다

3.2.1 Type 설정버튼

Type 버튼을 누르면 아래그림과 같이 Stator 의 다른 타입을 설정하는 창이

나타난다. 이 창에는 Slot 과 Tooth, groove 를 선택할 수 있고, 이 세가지는

상호 독립적으로 선택되고 각기 선택된 형상들로 조합된다.



Fig. 3.27. Stator Type Select window.

선택되어진 슬롯은 반전되어 나타나며, Slot type 은 총 6 가지가 있으며 각

각의 형상은 다음과 같다.

Table. 3.1. Slot type

DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 Slot 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.

Tooth Width 가 같고 Slot 이 Line 으로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Flat (sFlat) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)



Tooth Width 가 같고 Slot 이 Arc 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Depth (SD), Slot Open(SO)

Slot Width 가 같고 Slot 이 Line 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound), Slot Flat (sFlat) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)

Slot Width 가 같고 Slot 이 Arc 로 이루어져 있고 구석에 Round 처리를 할 수 있는 형상 (Exterior, Interior 가능) 입력 파라미터는 slot round (sRound) , Slot Depth (SD), Slot Open(SO)

Tooth Width 가 같고 Slot 이 Line 으로 이루어져 있고, 구석이 Tooth 와 직각을 이루고 있는 형상 (Interior 만 가능) 입력 파라미터는 slot tooth flat (stoothflat), Slot Depth (SD), Slot Open(SO)

Tooth 또한 독립적으로 선택되어 위의 각각의 Slot 들과 조합을 이룬다.

Tooth 는 총 5 개를 가지고 있으며, 각각의 Tooth 는 다음과 같다.

Table. 3.2. Tooth type

DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 tooth 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.

Tooth 의 끝부분에 아무것도 없는 형상. 입력값으로는 Tooth Width(Tw).



Tooth 의 끝부분에 각도를 입력할 수 있는 형상. 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut angle (TGAng), Tooth tang depth (TGD)

Tooth 의 끝부분을 원으로 덧붙이는 형상. 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang over Arc (OuterCircle), Tooth tang depth (TGD)

Tooth 의 끝부분을 원으로 파는 형상 입력 파라미터로는 Tooth Width(Tw), Tooth tang undercut Arc (InnerCircle), Tooth tang depth (TGD)

Groove 또한 독립적으로 선택되어 위의 각각의 Tooth 들과 조합을 이룬다.

Groove 는 총 3 개를 가지고 있으며, 각각의 Groove 는 다음과 같다

Table. 3.3. Groove type

DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 tooth 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.

Groove 가 없는 형상



사각형 모양의 Groove 가 있는 형상. 추후 원형 Groove 형상

도 지원할 예정이다. 입력 변수로는 GrN(Groove Number), GrH(Groove Height), GrW(Groove Width) 들이 있다.

3.2.2 치수 입력창

type 을 선택하면 이제 Stator 에 치수를 입력해야 한다. 각각의 Type 마다

입력할 수 있는 치수 아이템은 변경되고, 알맞은 치수를 입력하면 된다.

Table. 3.4. Stator 치수 정보

RadS

Stator 의 외경

RadSI

Stator 의 내경

TW

치폭



SD

슬롯 깊이

SO

슬롯 오프닝

TGD

Tooth Tang Depth

TGAngle

Tooth Tang Angle

sRound

슬롯 모서리반경



SFlat

슬롯 편평부분 길이

GrH

홈의 높이

GrW

홈의 폭

GrTheta 0

Gr 의 개수만큼 지정해줄 수 있으며 0 도로 지정하면 기본

적으로 모든 Gr 이 등간격으로 설정되며, 이 GrTheta 값을 조절하면 등간격 위치에서 degree 로 offset 양을 줄 수 있다.

3.2.3 Tool 버튼

DXF Export - MotorPro 는 AutoCAD 파일로 내보내거나 가지고 올 수 있다.

Export 버튼은 AutoCAD 의 DXF 파일 포맷으로 만들어 낸다. MotorPro 는



Export 로 만들어낸 형상을 AutoCAD 로 읽어 들여 편집 작업이 가능하도

록 한다.

DXF Import - 현재 지원되지 않는 형상을 위해서 AutoCAD 의 DXF 파일을

읽어 들여 작업할 수 있다. DXF 를 Import 하면 Slot 과 Tooth 의 type 이 자

동으로 DXF 로 바뀌게 되며, Import 후에는 각 치수들, 슬롯의 영역중의 한

점과 Steel 의 영역중의 한점을 수동으로 설정해 주어야 한다. 또한 이경

우 MotorPro 에서 슬롯 영역을 인식하지 못하므로 Slot 과 Tooth 가 만나는

점끼리 Line 을 그어주어야 한다. DXF 를 Import 했을 경우 Tool 메뉴에서

color 옵션은 적용되지 않는다. DXF Import 시에도 저항계산 등을 위해

RadS, RadSI, TW 등의 값을 DXF 와 동일하게 입력해준다.

DXF Edit - EMFCAD 를 호출해서 dxf 파일을 편집할 수 있다.

CAD 의 line 과 osnap 메뉴를 이용해서 옆그림처럼 슬롯을 막는 직선

을 그려주어야 한다(두 직선중 아무것이나 하나만 그려주면 된다).

DXF Import, Export 에 관한 자세한 설명은 매뉴얼 끝부분의 Appendix

A.를 EMFCAD 의 사용법은 Appendix. E 를 참조하기 바란다.

Scaling – Stator 의 크기를 변경하고자 할 때 Interior 형태의 모터일 경우

Stator 의 내경의 크기 만큼 자동으로 크기 변환을 한다.. Exterior 형태일 경

우 RadS 값을 넣어주어 최대 외경의 값을 넣어주어야 한다. 이 기능은

DXF 를 읽어온 경우에는 지원되지 않는다.

fix Airgap – 공극의 크기를 유지하면서 Scaling 기능을 사용할 것인지, 유지

하지 않을 것인지를 체크한다.



Slot Point0-슬롯의 영역내부의 임의의 한

점을 오른쪽 그림에서 마우스 좌표를

읽어서 대입해준다.

Steel Point- Steel 의 영역내부의 임의의

한점을 오른쪽 그림에서 마우스 좌표를

읽어서 대입해준다.

3.2.4 Display 창

슬롯이 그려질 윈도우 창

3.2.5 Print 버튼

현재 슬롯의 모양을 프린터로 찍어 내는 버튼

3.2.6 Copy to Clipboard 버튼

현재 슬롯의 모양을 캡쳐해 내는 버튼

3.2.7 마우스 위치 좌표

현재 마우스의 위치를 실제 값으로 보여주는 부분

3.2.8 Mode 정보

현재 mode 가 type 인지 DXF 모드인지를 알려준다.



3.3 Rotor design

Rotor 버튼을 누르면 아래그림과 같은 창이 나타나게 된다.

Fig. 3.28. Rotor Window.

Rotor Type 을 지원하는 것과 치수 입력 부분을 제외하면 기본적인 기능은 Stator 와

동일하다. Rotor 의 경우도 AutoCAD DXF 파일을 Import 할 수 있는데, 이경우에도 수동

으로 치수를 대입해주고 자석영역중의 한점, Steel 영역중의 한점을 지정해 주어야 한다.

3.3.1 Type 설정 버튼

Rotor 에서 지원하는 타입은 Table. 3.5 와 같이 7 가지이다.

Table. 3.5. Rotor Type

DXF 를 Import 했을 때 MotorPro 가 자동으로 선택하게 된다. 현재 Slot 의 상태가 DXF 라는 것을 알려준다.

Rotor core 의 모양이 원형인 형상. 입력 파라미터는 RadRI, RadRO, Rshaft, BetaM, Mflat, Mflat2, Offset, edgeH



Rotor core 의 모양이 직선인 형상 입력 파라미터는 Rotor 의 내경 (RadRI), Rotor 의 외경 (RadRO), Shaft 의 반지름 (Rshaft), 자석의 각도 (BetaM), 자석

의 옆면 길이 (Mflat), 직각으로 자른 자석 옆면의 길이 (Mflat2), 자석면의 왜곡율을 나타낸다.(Offset), Rotor 돌출부의 길이 (edgeH)

부채꼴 모양의 세그먼트 자석형상을 가진 회전자이며 자석

을 회전자 코어 표면에 부착한 표면 부착형으로서 영구자석

은 반경방향으로 착자되어 있는 비돌극형 회전자이다. 필요

한 형상입력 파라메터는 자석 두께(Lm), 극호각(BetaM)이다

회전자안에 직사각형 자석이 내장된 형상 입력 파라미터는 자석의 두께(Lm), 자석의 각도(BetaM), 자석

의 폭(Mag width), 자석의 깊이(Mag depth), Q-축방향으로 극간

의 거리(web) 등이다.

회전자안에 직사각형 자석이 내장된 형상 입력 파라미터는 자석의 두께(Mag width), 회전자 오프닝

(RO), 자석의 깊이(Mag depth), 자석의 폭(Lm) 등이다.

자석의 형상이 링형인 형상 입력 파라미터는 RadRO, RadRI, AirGap, Rshaft, Lm 등이다. MagDIR 에서 착자에 대한 정보를 추가로 주어야 한다.

3.3.2 MagDIR

링형 자석의 경우 착자에 관한 정보를 추가로 주어야 한다. 자석의 Row 와

Column 수를 정하고, 각 부분에 대해 Full 착자의 경우를 1 로 해서 (m)으로 표

현된 컬럼에 착자의 세기를 입력하여 준다. (l)컬럼에는 Radial 방향을 기준으로

착자되는 기준각도를 CCW 를 (+)로 해서 설정해 준다. 아래에 각도에 관한 예

제가 있다.



Fig. 3.29. MagDIR Dialog.

파란 부분이 자석이며 3 부분으로

분할착자한다.

A1, A2, A3 의 각도 : 0`

B1, B2 의 각도 : 90`

B3 의 각도 : -90`

3.3.3 Region

DXF file 을 Import 했을 경우 다중의 Region 이 설정 가능하다. 즉 여러개의 조

각으로 이루어진 자석이나, 철영역의 인식이 가능하다. 자석에 대해서는 위의

MagDIR 처럼 좌표와 (m)과 (‘)에 대해서, 철에 대해서는 좌표만 입력해주면

된다. 여기서 착자방향 설정의 기준각도는 일반 xy 직각좌표계이다.

A1

A2

A3

B3

B2

B1



Fig. 3.30. Rotor Region Dialog.

3.3.4 치수입력창 (SPM type)

Table. 3.6. Rotor Input Grid (SPM type).

RadRO

Rotor 의 외경



RadRI

Rotor 의 내경

Rshaft

Shaft 의 반지름

BetaM

자석의 각도

Mflat

자석의 옆면 길이

Mflat2

직각으로 자른 자석 옆면의 길이



Moffcent

자석면의 왜곡율을 나타낸다.

EdgeH

Rotor 돌출부의 길이

3.3.5 치수입력창 (Radial type)

Table. 3.7. Rotor Input Grid (Radial type)

RadRO 회전자 외경

RadRI 회전자 내경

AirGap

공극의 길이



Lm 자석의 반경방향 두께

MoffCent 자석면의 왜곡율을 나타낸다

BetaM

자석의 각도

edgeH Rotor 돌출부의 길이

3.3.6 치수입력창 (IPM type1)

Table. 3.8. Rotor Input Grid (IPM type1).

RadRO

회전자 외경



AirGap

공극 길이

Rshaft

축 반경

Map Depth

회전자 표면으로부터 자석까

지의 깊이

Map Width

자석의 폭

Lm

자석의 반경방향 두께

BetaM

자석의 각도

BridgeR

Pole piece 의 곡률반지름



Bridge

자극편 단에서 브리지의 반경

두께

Web

q-축방향의 쐐기 폭

3.3.7 치수입력창 (IPM type2)

Table. 3.9. Rotor Input Grid (IPM type2).

RadRO

회전자 외경

Rshaft

축 반경

Map Depth

회전자 표면으로부터 자석까

지의 깊이



Map Width

자석의 반경방향 두께

Lm

자석의 폭

RO

회전자 개구폭

3.4 Side 설계

축에 관련된 주요 치수를 변경할 수 있다.

Fig. 3.31. Side window.



MOH

Magnet OverHang 의 약자이며 자석이 Stator Core 적층부분 밖으로 돌출된

길이[mm]. 적층 양쪽으로 MOH 만큼씩 자석이 돌출된다.

Lend1

고정자 코어 적층을 기준으로 회전자 코어 적층의 왼쪽 끝단 돌출길이

[mm].

Lend2

고정자 코어 적층을 기준으로 회전자 코어 적층의 오른쪽 끝단 돌출길이

[mm].

LoffM

왼쪽으로 자석 중심이 회전자 적층코어의 중심에서 벗어난 길이. [mm]

Lstk

L_stack 의 약자이며, 고정자 적층 코어의 축방향 길이. [mm]

Skew[slot]

Skew 는 사구를 준 슬롯수로 표시한다. 사구를 줌으로써 코깅 토크의 감소

효과를 볼 수 있다. 예를 들면 한 슬롯만큼 skew 를 준 경우는 skew = 1 이

며, 반 슬롯만큼 skew 를 준 경우는 skew = 0.5 를 입력한다. 기본 설정값은

0 이다. Slot skew 와 magnet skew 두가지중에서 선택한다.

맨밑의 Shaft & Bearing 버튼을 클릭하면 shaft 의 세부 형상을 디자인할 수

있는 입력 창이 열린다. 이 부분에서 입력된 데이터들은 shaft 의 무게나 관

성(inertia)을 계산하는데 사용되어진다.



Fig. 3.32. Shaft design.

BrgDens

Bearing 의 질량 밀도. [g/cm^3].

BFT

Bearing 의 마찰계수

Inner Dia

Shaft 의 좌/우측에 있는 베어링의 내륜의 내경.[mm]

Outer Dia

Shaft 의 좌/우측에 있는 베어링의 내륜의 외경.[mm]

Length

Shaft 의 좌/우측에 있는 베어링의 축방향 길이이다.[mm]

ShDens

shaft 의 질량밀도를 나타낸다. 단위는 [g/cm^3]으로 S45C 의 경우 약 7.8 정



도이다.

No. of Layer

Shaft 단의 개수를 나타낸다. 사용자가 7 을 선택하면 7 개의 행이 나타나

고 사용자는 각 행의 값들(직경과 길이)을 모두 입력해야만 한다. 1 번이 오

른쪽 축 형상의 맨 왼쪽부분에 해당한다.

Center Layer

축의 중심이 몇번째 단인지 설정해준다.

Lshaft 는 자동적으로 모든 단의 Length 를 합하여 계산된다.

이 대화 상자는 모터 축의 관성을 정확하게 구하기 위한 것이다. 따라서

기계적인 특성에 특별한 관심을 갖지 않은 사용자라면 이 부분은

생략해도 된다. 물론 Bearing 의 마찰손이 모터의 무부하 전류에 직접적인

영향을 준다.

왼쪽과 오른쪽의 bearing은 shaft 의 어느 한 단에 놓여질 것이다. 따라서

left bearing의 내경은 Shaft 왼쪽단의 지름중에 어느 하나와 일치해야 하고

축방향 길이도 그단의 길이보다 길 수 없다. 우측베어링에도 동일하게

적용된다.

3.5 Winding 결정

권선은 모터에 있어서 매우 중요한 요소이다. 따라서 항목 하나하나를 신

중히 설계해야 한다. 만약 권선의 layout 이 정확하지 않으면 다른 어떠한

해석도 할 수 없기 때문에 topology 을 결정한 후에 가장 먼저 입력해야 할

부분이다. 해석 중간중간에 “Empty Winding” 이라는 Warning 메시지가 나

타나는 것은 권선의 정보를 저장하는 메모리 영역이 삭제되었기 때문이다

( §III.3.1, Topology 결정 참조).



Fig. 3.33. Winding window.

권선의 주요 사항을 변경할 수 있다. 권선 방식은 6 종류가 있으며 그 중

하나를 선택할 수 있다. 권선 방식의 종류는 다음과 같다

3.5.1 Concentric winding

극당, 상당 슬롯수가 1 이며 코일당 턴수가 동일하도록 권선하는 방법을

집중 권선법이라 한다. 집중 권선법으로 코일을 감으면 일반적으로 속도전

압(Back EMF)이 구형파형이 된다. 권선 층권으로는 단층권 또는 이층권을

선택할 수 있다. 단층권을 선택한 경우 총 코일수는 슬롯수의 절반이며 이

층권인 경우 총 코일수는 슬롯수와 동일하다

3.5.2 Tooth Concentric winding

극당, 상당 슬롯수가 1 보다 작은 경우에 해당된다. 이것 또한 집중권선이

라 불리우지만 Tooth 에 감기는 것을 강조하기 위하여 별도로 분류 하였다.

SRM 권선과 유사하지만 SRM 이 이극성인 대신 동극성(한 상의 이웃하는

코일이 동일한 방향)으로 감긴다. 대부분 이층권을 사용하며 구조가 간단

하고 권선이 쉽기 때문에 소형기에서 많이 사용된다.



3.5.3 Sine winding with equal turns/coil

극당, 상당 슬롯수가 정수(Q_Slots)이며 극당, 상당 코일군수를 Q_Slots 개

수만큼 코일군을 체인모양으로 감는 권선방법을 동심권선법이라 한다. 동

심권선법에서는 코일당 턴수는 같다고 가정한다. 일반적으로 속도전압

(Back-EMF)이 정현파형을 필요로 하는 경우에 많이 사용된다. 권선 층권

으로는 단층권만 가능하다.

극당, 상당 슬롯수(Q_Slots) = 슬롯수/(극수×상수)

3.5.4 Integral-slot lap winding

극당 슬롯수(극피치)가 정수이며 극당, 상당 슬롯수(Q_Slots)가 2 이상인 정

수가 되도록 중권으로 감는 권선방법을 정수슬롯 중권법이라고 한다. 정수

슬롯 중권법에서는 극당, 상당 코일수가 정수이어야만 하며 극당, 상당 코

일군수가 Q_Coils 갯수가 되도록 한다. 정수슬롯 중권법에서는 단층권, 이

층권이 가능하다.

극당, 상당 코일수(Q_Coils) = 코일수/(극수×상수)

3.5.5 Fractional-slot winding

극당 슬롯수가 분수인 권선을 분수슬롯 권선법이라 한다. 분수슬롯 권선법

에서는 이층권만이 가능하다.

3.5.6 User winding

사용자 권선법에서는 총코일수, 층권, 코일당 턴수, 코일 피치(Throw)를

자유롭게 선정할 수 있으며 또한 권선 편집이 가능하다. 1 상에 대해서만

편집가능하며, 나머지상은 1 상과 동일하다고 가정한다.

3.5.7 Wire

Wire Dia - Bare Wire 의 직경, Sel 버튼을 누르면 wire 의 종류와 직경을 변경

할 수 있다. Wire DB 의 수정, 편집은 §VI.2 의 MDBman 을 참조하기 바란

다.



Fig. 3.34. Wire dialog.

Kind- Wire 의 규격을 선택할 수 있다.

BareDia-Wire 의 diameter 를 선택할 수있다.

InsThick – Wire 의 절연 피막 두께의 평균 값이다.

3.5.8 Other spec

Winding Form – 지그를 사용한 권선은 Jig winding, 직접 tooth 에 하는 권선

은 Direct tooth winding 을 선택한다.

layer-슬롯 내의 권선 층수

Throw-코일 피치, Coil-Span

Offset-1 상의 출발 slot 과 2 상의 출발 slot 의 offset.

TC(turns per coil)-코일당 턴수

PATHS-각 상 권선의 병렬 회로수

Wye- Y 형 결선.

Delta- ∆형 결선.

Drawing Option- 각 상에 맞는 winding 을 보여준다. All-phases 를 선택하면

아래그림 과 같다.

All-phases 체크박스 오른쪽의 입력상자에는 화면에 나타내기를 원하는 상을

직접 입력할 수 있다. &기호를 쓸 수 있으며 예를 들어 1 상을 보고 싶으면

1, 1 상과 2 상을 보고싶으면 1&2, 모두 보고 싶으면 All-phases 를 체크하던

가 1&2&3 을 입력하면 된다.



Fig. 3.35. 모든 상에서의 winding.

View phase current – 주어진 결선방식과 control 에서의 current waveform 에

따라 normalized 된 전류파형을 보여준다. 일례로 square(DC) waveform 과

delta 결선에서의 전류파형은 다음과 같다.

3.6 Material design

모터에서 사용되는 재질에 대한 데이터 베이스 대화상자로서 고정자와 회

전자의 철심 재질, 자석 재질을 선택할 수 있다. 데어터베이스의 편집을

위해서는 메인 매뉴의 Tool 메뉴에서 MDBMan 를 선택하면 된다. (데이터

베이스에 대한 내용, 수정 및 추가는 §VI.2 의 MDBman 참조).



Fig. 3.36. Material window.

3.6.1 Stator , Rotor steel

회전자(rotor)와 고정자(stator)의 철 재질을 각각 선택한다. 고정자의 철심

재질로는 일반적으로 실리콘 전기강판을 사용하며 회전자 철심 재질은 연

강판, 연강, 주강등을 사용한다.

Fig. 3.37. Steel material window.

철심의 밀도, 실리콘 전기강판의 두께 및 점적율 등을 결정한다.

BH 버튼을 누르면, 철심재질에 대한 자기적특성(B-H 특성곡선의 데이터)



곡선을 보여준다.

Fig. 3.38. B-H 곡선.

Thickness-0.35, 0.5, 0.65[mm]

Kind-CAST STEEL, M##, RM##, etc.

Stack_factor-Real volume and space factor for iron when steel plate is laid.

Sigmh-Hysteresis coefficient of the armature Yoke.

Sigme-Eddy current coefficient of the armature Yoke.

Sigmah-Hysteresis coefficient of the armature Tooth.

Sigmae- Eddy current coefficient of the armature Tooth.

3.6.2 Magnet

자석 재질에 대한 종류로서는 페라이트, 알니코, 네오디뮴, 사마륨 코발트자

석이 데이터 베이스화 되어 있다. 먼저 magnet 의 종류를 선택한 다음, 회사

별 제품명을 선택한다. 단위계의 선택에 따라 CGS 또는 MKS 단위로 볼

수 있다. ( MKS 의 단위는 Tesla, A/m, kg, m 등이고, CGS 는 Gauss, Oe, g, cm

이다. 1Oe=79.58A/m, 1A/m=0.01257Oe, 1Tesla=10,000 Gauss, 현재는 CGS 로 볼

수 있다.)



Fig. 3.39. Magnet material window.

Br-잔류 자속밀도 [Gauss]

자석의 감자 곡선의 B 축에서 진보자력이 0 인 점의 자속밀도를 잔류 자속

밀도라 한다.

jHc-진보자력 [Oe]

자석의 감자 곡선의 H 축에서 잔류 자속밀도가 0 인 점의 보자력을 진보자

력이라 한다.

Bhmax-최대 에너지적 [MGOe]

모터의 자기 에너지는 자속과 자기력의 곱에 비례한다. 자석에서 외부의 공

극에 공급되는 자속 및 기자력은 각각 자석 내의 자속 밀도와 감자계에

의존한다. 따라서 자기 에너지는 이러한 것의 곱 BH 에 의존하게 된다. 공

극에 축적된 에너지는 자석의 자속밀도 B 와 감자계 H 와의 곱인 BH 에 정

비례한다. BH 는 자석 동작점에 따라 변하지만 어떤 동작점인 곳에서 최대

가 된다. 이것을 최대 에너지적이라 한다.

Density-자석의 밀도 [g/ 3cm ]

Unit-CGS 단위계 (Gauss, Oe, g, cm)

MuRec-자석의 리코일 투자율

TC_Br -잔류자속밀도의 온도계수 [%/℃]

자석의 잔류자속 밀도는 자석의 온도에 의존한다. 대개는 음의 값을 갖는다.

이는 잔류자속 밀도가 온도에 의존하여 변화함을 의미한다.



TC_Hc -진보자력의 온도계수 [%/℃]

자속의 진보자력은 자석의 온도에 반비례한다. Ferrite 는 양수값, Nd 계열은

음수값을 일반적으로 갖게되는데, 이런이유로 Ferrite 는 저온불가역 감자현

상이, Nd 계열은 고온불가역 감자현상이 발생한다.

3.7 Etc design

온도에 따른 상수값과 보정 계수등을 입력한다.

Fig. 3.40. Etc window.

WTemp

권선의 온도. [deg. C]

권선의 저항을 계산할 때 사용되어진다. MotorPro 에서는 현재 열해석을 수행할

수 없기 때문에 사용자의 경험 또는 실험에 의해 권선의 온도를 입력해야 한다.

MTemp

자석의 동작점 온도. [deg. C]

이 값에 의해 해석에 사용되는 자석의 Br 값이 결정된다. 즉 material 대화 상



자에 표시되는 값은 상온(20 도)에서의 Br 을 의미한다. 예를 들어 SUMITOMO

사의 NEOMAX-35SH 의 경우 상온에서 Br 이 11950[G] 이지만 MTemp 가 60℃일

때 Br 은 11424[G]이다. (TC_Br= -0.11[%/℃]이므로 다음과 같이 계산 가능하다.

60℃에서의 Br=11950-0.11*(60-20)*11950*0.01=11424.2)

MTempL

자석의 저온 온도. [deg. C]

DegCW

회전자(전기자)의 열저항. [deg. C]

XFe

철손 조정계수. [기본값은 1]

Xet

코일엔드 길이 조정계수, Xet≥1 [기본값은 1.3]

XL

인덕턴스 조정 계수. [기본값은 1]

XMoh

자석 오버행 조정계수, 0≤XMoh≤1 [기본값은 1]

XYoh

요크 오버행 조정계수, 0≤XYoh≤1 [기본값은 1]

Liner

슬롯 절연지 혹은 절연 필름의 두께 [기본값은 0.5]

MWF

속도에 따른 기계적 풍손변화 조정 지수계수 [기본값은 1.5]

3.8 Control design

§III.1 에서 언급했듯이 MotorPro 의 BLDC 모듈은 정현파 구동과 구현파 구동이 가

능하다. 전류구동방식에 따라 MotorPro 의 출력등의 내부계산 알고리즘이 달라진다.

모터 회전수(rpm), 정격전류, 한계전류 값, 공급전압, 권선의 연결(Connection)

등을 설정한다.



Fig. 3.41. Control window.

Current Waveform–구동방식에 따라 결정

MotorPro 는 입력 전원을 전류소스로 가정한다. 이 때 구형파 모양의 전류

(Square)를 가정할 것인지, 이상적인 정현파(Sinusoidal)를 가정할 것인지를 결정

Input

RPM – 분당 회전수 (Revolution per Minute)

Torque Angle – 전류의 위상과 역기전력 위상간의 위상차. 약계자제어와 연관이

있는 값이다.

I_line[peak] – 최고값의 선간전류치(Square 구동시)

I_line[rms] – 선간전류의 rms 치(sinusoical 구동시)

Vs-공급전압 (Supply Voltage).

I(limit) – 전류 최대치

MaxDuCy – 최대 듀티 사이클. 전압제어형 PWM 방식을 선택한 경우에만 사용

된다(0.1~1.0). 이값과 Vs 의 곱이 실제 드라이버가 공급할 수 있는 최대 전압



값이 된다. 듀티사이클(DuCy) = 스위칭 ON 시간 / 스위칭 주기

Commutating Sequence-드라이버에서의 정류순서, CCW(시계반대방향), CW(시계

방향). 일반적으로 BLDC 모터는 공간적인 권선의 배치와 시간적인 전류의 통전 순

서를 일치시켜주어야 한다. 예를 들어 3 상 모터의 경우 반시계 방향으로 u, v, w 의

순서로 120 도의 위상차를 갖으면 전류 역시 u, v, w 의 순서로 통전되고 이때 각각

의 위상차도 120 도이어야 모터가 반시계 방향으로 회전한다. MotorPro 는 구동부

에 대한 별도의 입력 사항이 없고 모터는 항시 반시계 방향으로 회전하는 것을 기

본으로 하고 있다. 따라서 사용자가 u, v, w 의 순서로 권선을 했다면 Direction 을

CCW 로 해주어야 하고, 그렇지 않다면 CW 로 해주어야 한다. CW 인 경우

TorqueRipple Profile 은 Torque 가 (-)로 나타난다.



4. FEA WIZARD

4.1 FEA Custom.

Fig. 3.42. FEA Custom Dialog.

4.1.1 Parameters

Lumped Output Parameters 의 3 개의 인자와 Extra Parameters 의 2 개의 인자는

Tools/FEM Options 에서 미리 정해놓을 수 있다. 이중에서 Theta0 는 Inductance 나 Torque

Ripple & BackEmf 를 선택하면 자동으로 선택되며, 해제 불가능하다.

4.1.2 Options

Fraction – 극수와 슬롯수로부터 Fraction 의 최대값이 계산되고, 1 부터 그수의

약수까지의 값을 선택할 수 있다. FEM 해석시 실제로 1/Fraction 만큼이 모델링



되어 해석된다.

Mesh Density –Mesh Density 의 기본값인 30 에 대해 보정상수를 넣는 곳이다.

More Gap Density – 계산된 Gap Segment 에 사용자가 보정상수를 더 곱할 수 있

다.

Rotational resolution – Rotor 를 회전시키면서 해석할 때, 사용되는 회전개수의 값

이다. 기본값은 12 또는 이에 가장가까운 큰값이 설정되어 있다..



5. Output Analysis

기본적으로 Output Report 는 크게 2 부분으로 구성된다.

Common

입력변수들을 확인할 수 있다. 이는 5.1 절에서 자세

하게 설명한다.

FEM

FE 해석과 결과확인 등으로 구성되어 있다.

FEA Exprs. (Express) – Tools/FEM Options 에 설정

되어있는 Parameters 에 대해 바로 해석이 수행

된다. 한번 수행후에는 Custom 모드로서만이

재해석 수행이 가능하다.

FEA Custom – 해석할 인자들, 해석옵션에 대해

상세히 설정할 수 있다. 이는 4 장에서 이미 자

세히 설명하였다.

Output Para. - FE 해석후의 출력변수들을 확인할

수 있다.

FEM Profile – FE 해석후 각종 커브등을 볼 수

있다. 이는 5.5 절에서 자세하게 설명한다.

5.1 입력변수 확인

모든 입력이 끝나면 Output tab.내의 Common-Input. Para. 에서 입력한 설계변수

들을 확인할 수있다.



Fig. 3.43. Input parameters.

5.2 출력변수 확인

v2.60 부터는 MEC-Output parameters 에 대해서 지원하지 않습니다.

5.3 특성 곡선

Char. Curve 에서는 모터의 특성곡선을 볼 수 있다.(버그 수정후 지원할

예정입니다.)



Fig. 3.44. Characteristic Curve Dialog.

Vt-단자전압

Rphr- 온도보정한 권선 저항(Winding Resistance)

KT 와 kE-토크상수와 선간 역기전력 상수

Istart – 최대전류

It – 단자전류

No – 무부하 속도

Io-무부하 전류

X 축을 전류로, y 축을 토크, 속도, 파워, 효율로 했을때의 특성곡선을 아래와 같

다.



Fig. 3.45. Characteristic Curve

5.4 FEM 출력변수 확인

Output tab 내의 FEM-Output Para.에서 FEM 해석 결과들을 볼 수 있다. FEM 해석 전에

도 창은 뜨지만 대부분의 값들이 N/A(Not Available)상태다. 해석후 의미있는 값들로 변

경된다.

Fig. 3.46. FEM Output Para.의 FEA 해석 전후의 모습.



5.5 FEM Profile(Output tab.)에서의 결과보기

FEM에서 FEM Profile를 누르면 FEM Profile이라는 창이 뜬다.

Fig. 3.47. FEM output.

Flux distribution in Air Gap view버튼을 누르면, 공극자속밀도 분포의 한 주기(one

period)분을 보여준다. Field 분포가 계산 되므로 철의 요철 구조로 인한 자속

밀도의 변화를 관찰 할 수가 있다.



Fig. 3.48. Flux density in airgap.

CoggingTorque view 버튼을 누르면 코깅 토오크를 보여준다. 회전자를 회전 시

키면서 해석하고 각 기계적인 회전각에서의 토오크를 계산하여 한 주기에서의 분

포값을 보여주는 것이다. 아래 그림은 default.bldc 파일을 Cogging torque 에 대해

Custom 으로 Gapseg 와 Mesh density 를 조금 높여서 푼 결과를 보여주며, Cogging

Torque 의 한 주기각은 슬롯갯수와 극수의 최소공배수값을 구하여, 360°를 이값으로

나누어주면 된다.

※ Cogging Torque 가 비교적 큰 모델일 경우는 쉽게(작은 수의 mesh) 계산되지만

그렇지 않은 경우 황당한 결과가 나온다. 간혹 주기성을 보이지 않는다든지, 한쪽으

로(+,-) 값이 치우치는 경우 수치적인 문제로 인해 계산이 잘못된 것이다. 이때는 점

진적으로 mesh 의 수( mesh density 와 gap-seg)를 증가시켜서 다시 계산하면 된다.

Cogging 의 값이 실제 전류의 Torque 에 비해 현저히 작을경우(1%이내) 에도 컴퓨터

의 수치적인 오차로 인해 거칠게 나올 수 있다.



Fig. 3.49. Cogging torque profile.

Torque Ripple view 버튼을 누르면 Torque 의 변동값을 보여준다. 기본적으로 이

결과는 전기적으로 한 주기 동안의 torque ripple 이다. 값들의 분포가 (+)와(-)를

교차하면 잘못된 결과이거나, 전류값이 너무작아 Cogging 토크가 지배적인 값이

되는 경우이다.

Fig. 3.50. Torque Ripple.

Flux-Linkage view 버튼을 누르면 자속 쇄교(鎖交)값을 보여준다.



Fig. 3.51. Flux linkage.

Back Emf view 버튼을 누르면 회전자의 위치에 따른 역기전압의 변화를 보여준

다.

Fig. 3.52. BackEMF.

5.6 FEM 도구모음에서의 결과보기

FEM 해석이 끝나면 FEM 도구모음이 활성화된다.

→



Fig. 3.53. FEM toolbar.

FEM 결과들로 다음과 같은 것들을 확인할 수 있다. 상세한 결과들은 2 장의

Tutorial BLDC 를 참조하기 바란다.

Mesh

Equipotential line

Flux density

Flux along line

Flux along arc

Mesh 버튼 ( )을 누르면, mesh 가 생성된 모양을 볼 수 있다.

Equipotential Lines 버튼 ( )을 누르면, 등전위선 자속흐름을 볼 수 있다..

Flux Density 버튼 ( )을 누르면, 자속밀도를 볼 수 있다.

Point 버튼 ( )을 누른후, 한점을 클릭하면 그점에서의 자속 밀도의 크기와

r방향 성분값, θ 방향 성분값, x축 방향 성분값, y축 방향 성분값을 확인 할 수 있다.

Line버튼 ( )을 누르면, 지정된 두 점사이의 직선을 따르는 자속밀도를 볼

수 있다.

Arc버튼 ( )을 누르면, 지정된 점을 중심으로 하여 지정된 반지름, 시작각과

끝각을 따르는 자속밀도를 볼 수 있다.

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Ⅲ. MotorPro BLDC - 『모터전문회사』- 코모텍에 오신걸 ... BLDC...KOMOTEK Co., Ltd. MotorPro - 19 - Chap Ⅲ. MotorPro BLDC 2. Tutorial BLDC 각 설계변수들과 형상치수에