전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터 성능 향상

본 소개 자료는 "[전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터 성능 향상]" 논문("[www.isteonline.in]" 발행)을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: 전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터 성능 향상
• 저자: Sohel Mulla, Paridhi Dahake, Pranav Shelke, Yogesh B. Mandake, Deepak S. Bankar
• 발행 연도: 2023년 7월
• 발행 저널/학회: www.isteonline.in, Vol. 46, Special Issue
• 키워드: Ansys maxwell software, BLDC 모터, 컨트롤러, 효율성, 전기 자동차, 성능 향상, 시뮬레이션, 속도 토크 파라미터

2. 초록:

오늘날의 기술적으로 발전된 사회에서 사람들은 점점 더 현대적이고 편리하며 환경 친화적인 옵션을 찾고 있습니다. 이러한 경향이 특히 두드러지는 분야 중 하나는 운송 산업입니다. 전통적인 가솔린 동력 차량은 환경에 심각한 위협이 되는 CO2 배출에 상당한 기여를 하기 때문입니다.

따라서 전기 자동차(EV)에 대한 관심이 최근 환경적 이점, 높은 에너지 효율성 및 저소음으로 인해 증가했습니다. DC 모터, 유도 모터, 영구 자석 동기 모터, 스위치드 릴럭턴스 모터 및 브러시리스 DC 모터는 과거에 전기 자동차에 사용되었던 다양한 유형의 전기 모터입니다. 그러나 높은 전력 밀도, 높은 전력 대 중량비, 즉각적인 속도 제어 및 높은 효율성으로 인해 브러시리스 DC 모터는 전기 자동차에 가장 효율적인 선택입니다.

본 논문에서는 Ansys Maxwell RMxprt를 사용한 시뮬레이션을 통해 BLDC 모터의 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법론을 제안하여 500W, 2000rpm 및 48V 정격의 브러시리스 DC 모터 분석을 제시합니다. Ansys Maxwell을 사용하여 토크, 손실, 토크 리플 계수, 전력 및 효율성과 같은 다양한 설계 파라미터를 시뮬레이션합니다.

3. 서론:

전기 자동차(EV)의 도입은 곧 현재의 연료 차량을 대체할 것이며, 운송 시스템은 새로운 수준의 운송 시스템으로 발전할 것입니다. 휘발유 차량에서 전기 차량으로의 전환은 기존의 오염 문제를 완화하는 데 도움이 될 것입니다. 환경 오염을 줄이기 위한 지속적인 노력으로 인해 전기 자동차 시장은 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 연료 자원이 고갈됨에 따라 에너지 효율적인 전기 드라이브의 사용이 화석 연료를 대체할 것으로 예측됩니다.

EV는 ICE(내연 기관) [8]에 비해 환경에 가장 덜 해롭습니다. 정부 싱크탱크 NITI AAYOG에 따르면 EV는 2030년까지 인도에서 CO2 배출량을 1기가톤 줄일 수 있습니다. 전기 자동차, 특히 배터리 작동식 전기 자동차의 효율성을 개선하기 위해 전력 전자 시스템 및 제어 기술이 효과적이어야 합니다 [1].

영구 자석 모터, 유도 모터, 스위칭 릴럭턴스 모터 또는 전기 자동차에서 작동할 수 있는 모든 유형의 기계 장치를 사용하는 것이 제안되고 조사되었습니다. 현재 BLDC 모터는 산업, 특히 자동차 부문에서 광범위하게 사용되고 있습니다 [2].

지난 수십 년 동안 전기 자동차 개발은 신뢰할 수 있는 전기 모터 액추에이터에 대한 수요를 창출했습니다. 전기 자동차 액추에이터는 높은 저항, 간단한 설계 및 고속 작동 능력으로 인해 BLDC 모터를 고려해야 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

전통적인 가솔린 동력 차량과 관련된 환경 문제 증가와 지속 가능한 운송으로의 세계적인 추세는 전기 자동차에 대한 관심을 증폭시켰습니다. BLDC 모터는 효율성과 성능 면에서 고유한 장점으로 인해 EV 추진을 위한 유망한 기술로 확인되었습니다.

기존 연구 현황:

DC 모터, 유도 모터, 영구 자석 동기 모터(PMSM) 및 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)를 포함한 다양한 유형의 전기 모터가 EV 애플리케이션에 고려되었습니다. 그러나 BLDC 모터는 높은 전력 밀도, 효율성 및 제어성으로 두드러집니다. 이전 연구에서는 EV 성능을 최적화하기 위한 효과적인 전력 전자 시스템 및 제어 전략의 필요성을 강조했습니다.

연구 목적:

본 연구는 특히 전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터의 성능 특성을 분석하고 개선하는 것을 목표로 합니다. 연구는 시뮬레이션 도구를 사용하여 설계 파라미터 최적화를 통해 모터 성능을 향상시키는 데 중점을 둡니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 500W, 2000rpm 및 48V 정격의 BLDC 모터의 성능 분석을 포함합니다. Ansys Maxwell RMxprt 소프트웨어를 활용하여 연구는 모터 성능에 대한 다양한 설계 파라미터의 영향을 조사합니다. 조사 대상 주요 성능 지표에는 토크, 손실, 토크 리플 계수, 전력 및 효율성이 포함됩니다. 이 연구는 이러한 파라미터를 최적화하고 EV 애플리케이션을 위한 BLDC 모터의 전반적인 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법론을 탐구합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 시뮬레이션 기반 설계 접근 방식을 채택합니다. Ansys Maxwell RMxprt 소프트웨어를 활용하여 BLDC 모터의 성능을 모델링하고 시뮬레이션합니다. 이 방법을 사용하면 초기 단계에서 물리적 프로토타입 제작의 필요 없이 다양한 설계 파라미터와 모터 특성에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 Ansys Maxwell RMxprt에서 수행된 시뮬레이션을 통해 수집됩니다. 고정자 및 회전자 재료, 와이어 게이지 및 에어 갭과 같은 다양한 설계 파라미터가 시뮬레이션 환경 내에서 변경됩니다. 소프트웨어는 효율성, 속도, 토크 및 손실을 포함한 주요 성능 지표에 대한 데이터를 계산하고 제공합니다. 그런 다음 이 데이터를 분석하여 각 파라미터 변화가 BLDC 모터의 성능에 미치는 영향을 평가합니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 다음 주제를 조사하여 BLDC 모터의 성능 향상에 중점을 둡니다.

• 재료 최적화: 손실을 최소화하고 효율성을 개선하기 위해 다양한 고정자 및 회전자 재료를 분석합니다. 고려된 재료에는 냉간 압연 강판, 알루미늄 강판 및 제안된 강판(Steel_1010, Steel_1008, M43_29G, DW540_50)이 포함됩니다.
• 게이지 크기 변화: 모터 성능, 특히 효율성 및 토크에 대한 다양한 와이어 게이지 크기의 영향을 평가합니다. 22~18 AWG의 와이어 게이지를 검토합니다.
• 에어 갭 조정: 토크, 효율성 및 속도 특성에 대한 에어 갭 변화의 영향을 연구합니다. 0.6mm에서 0.375mm 범위의 에어 갭을 시뮬레이션합니다.
• 코깅 토크 감소 기술: 스큐잉 및 자기 극 성형과 같은 방법을 탐구하여 코깅 토크를 완화하지만 시뮬레이션 결과는 주로 재료 및 치수 최적화에 중점을 둡니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

시뮬레이션 결과는 재료 선택, 와이어 게이지 및 에어 갭 최적화가 BLDC 모터 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

• 재료 선택: Steel_1010은 선호하는 고정자 및 회전자 재료로 확인되었으며, 85.259%의 효율성, 1986.66rpm의 속도 정격 및 2.40307N.m의 토크 정격으로 총 손실은 86.438W입니다(표 2).
• 와이어 게이지: 21 AWG의 와이어 게이지를 사용하면 85.259%의 효율성, 1986.66rpm의 속도 정격 및 2.40307N.m의 토크 정격으로 총 손실은 86.438W입니다(표 3). 게이지 크기를 줄이면 효율성과 속도가 증가했지만 토크는 감소했습니다.
• 에어 갭: 0.6mm의 에어 갭은 85.259%의 효율성, 1986.66rpm의 속도 정격 및 2.40307N.m의 토크 정격으로 총 손실은 86.438W입니다(표 4). 에어 갭을 늘리면 일반적으로 토크와 효율성이 증가했지만 속도는 감소했습니다.
• 최적화된 BLDC 모터 구성은 2000rpm의 정격 속도에서 85.259%의 효율성을 달성했으며(그림 3) 2000rpm에서 0.49kW의 출력 전력(그림 4)과 정격 속도에서 2.40307Nm의 출력 토크(그림 5)를 제공했습니다.

표 2: BLDC 고정자 및 회전자 재료 비교

표 3: BLDC 모터 와이어 게이지 비교

표 4: BLDC 모터 에어 갭 비교

그림 이름 목록:

• 그림 1. Ansys Maxwell BLDC 2-D 시뮬레이션
• 그림 2. BLDC 드라이버 회로
• 그림 3: 효율성 대 속도
• 그림 4. 출력 전력 대 속도
• 그림 5. 출력 토크 대 속도
• 그림 6. 재료 소비 데이터
• 그림 7: 최대 부하 작동 데이터

7. 결론:

본 연구는 시뮬레이션 기반 최적화를 통해 전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터의 성능 향상을 성공적으로 입증했습니다. Ansys Maxwell RMxprt를 사용하여 고정자 및 회전자 재료, 와이어 게이지 및 에어 갭을 체계적으로 변경하고 분석함으로써 연구는 모터 효율성, 속도 및 토크 특성을 크게 향상시키는 최적의 설계 파라미터를 확인했습니다. 결과는 고정자 및 회전자용 Steel_1010, 21 AWG 와이어 게이지 및 0.6mm 에어 갭이 고려 중인 500W, 48V BLDC 모터에 대해 우수한 성능 균형을 제공함을 나타냅니다. 달성된 85.259%의 효율성은 BLDC 모터가 전력 비율이 우수하고 추가 컨버터가 필요 없는 EV를 위한 매우 효율적인 추진 솔루션으로서의 잠재력을 강조합니다. 본 연구는 재료 선택 및 치수 최적화가 손실을 최소화하고 전기 자동차 애플리케이션을 위한 BLDC 모터의 전반적인 성능을 향상시키는 데 중요한 요소임을 시사합니다.

8. 참고 문헌:

• [1] Pallavi Rodge, Kantilal Joshi, "Electric Vehicles in India: Current Status, Future Trend and Environmental Impact". 2018 International Conference on Smart Electric Drives & Power System.
• [2] Vishnu Sidharthan P, Yashwant Kashyap, "Brushless DC Hub Motor Drive Control for Electric Vehicle Applications", 2020 First International Conference on Power, Control and Computing Technologies (ICPC2T)
• [3] Nasser Hashernnia and Behzad Asaei "Comparative Study of Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles" Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines.
• [4] Mustafa Yaz and Emrah Cetin, "Brushless Direct Current Motor Design and Analysis" DOI - 10.31031/ COJEC.2021.02.000534, https://www.researchgate.net/publication/35510 7964,
• [5] Praveenkumar CHANDRAN*, Kaliamoorthy MYLSAMY, Prabha UMAPATHY, “Conceptual Design and Material Analysis of BLDC Motor Using FEA Tools for Electric Vehicle Applications" https://doi.org/10.17559/TV- 20210425201219.
• [6] Y.B. Adyapaka Apatya, Aries Subiantoro and Feri Yusivar "Design and Prototyping of 3- Phase BLDC Motor", 2017 IEEE. DOI - 978-602- 50431-1-6/17
• [7] Pranoti K. Khanke and Sangeeta D. Jain “Comparative Analysis of Speed Control of BLDC Motor Using PI, Simple FLC and Fuzzy – PI Controller” International Conference on Energy Systems and Applications (ICESA 2015).
• [8] Shivam Tiwari and S. Rajendran "Four Quadrant Operation and Control of Three Phase BLDC Motor for Electric Vehicles" 2019 IEEE, DOI - 978-1-5386-7434-5/19
• [9] Ramachandran R, Ganeshaperumal D & Subathra B "Closed-loop Control of BLDC Motor in Electric Vehicle Applications” 2019 IEEE, DOI - 978-1-7281-4407-8/19.
• [10] T. A. Anuja, Arun Noyal Doss M., R. Senthilkumar, Rajesh K. S., (Member, Ieee), And R. Brindha "Modification of Pole Pitch and Pole Arc in Rotor Magnets for Cogging Torque Reduction in BLDC Motor" September 2022, DOI-10.1109/ ACCESS.2022.3217233

9. 저작권:

• This material is a paper by "Sohel Mulla, Paridhi Dahake, Pranav Shelke, Yogesh B. Mandake, Deepak S. Bankar". Based on "Performance Enhancement of BLDC Motor for Electric Vehicle Applications".
• Source of the paper: [DOI URL] (Note: DOI URL is not provided in the paper).

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