로봇 관절 구동용 버니어 영구자석 전동기의 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 로봇 관절용 전동기의 성능 개선을 위해 기존에 사용되던 Surface-mounted permanent magnet synchronous motor(SPMSM)를 Vernier permanent magnet synchronous motor(VPMSM)로 대체하는 것을 제안하였고, 버니어 영구자석 전동기를 설계하는데 필요한 가이드 라인을 제안하였다. 가이드 라인을 통해 설계한 로봇 관절용 VPMSM과 기존 로봇 관절용 SPMSM의 성능을 비교 분석함으로 로봇 관절용 전동기에 VPMSM 적용 타당성을 검증하였다. 작은 크기에 제어 정밀성을 요구하는 로봇 관절용 전동기의 효율을 개선하기 위해서 구조가 간단하고 제어 정밀성이 높으면서 높은 토크 특성을 가지는 전동기가 필요하다. 본 논문에서는 자계변조 효과를 통해 간단한 구조와 높은 토크 성능을 가지는 VPMSM이 적합하다고 판단하였다. 자계변조 효과를 사용하는 VPMSM은 일반 전동기와 다른 특성을 가져 설계 시 차이점이 발생한다. 특히 권선계수는 전동기의 기전력을 예측할 수 있게 해주는 계수인데, 자계변조 효과에 의해 기전력 특성이 달라지는 VPMSM은 기존 권선계수 계산법을 적용하는 것이 부적합하다. 그러므로 자계변조 효과를 고려하기 위해 본 논문에서는 VPMSM의 원리에 기반하여 해석적 기법을 적용해 VPMSM에 적합한 권선계수를 제안하였다. 제안한 권선계수는 서로 다른 극 슬롯 조합의 전동기의 유한요소법(Finite element method : FEM)과 해석 결과를 통해 검증하였다. 본 논문에서는 VPMSM의 종류에 따른 특성, 극 슬롯 조합에 따른 권선계수 및 적정 슬롯 폭, 극 슬롯 조합에 따른 손실 특성을 통해 VPMSM의 설계 가이드 라인을 제안하였다. 다음으로 최적 설계를 위해 높은 정확성과 수렴 속도를 가지는 최적화 알고리즘(Social insect optimization algorithm : SIOA)을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 정확성 및 수렴 속도는 여러 시험함수에 대한 탐색 결과를 기존에 널리 사용되고 있는 알고리즘들의 결과와 비교를 통해 검증하였고 그 우수성을 확인하였다. 제안한 VPMSM 설계 가이드 라인을 통하여 로봇 관절용 전동기의 요구 사항을 만족하는 VPMSM의 상세 설계안을 도출하였고, 제안한 최적화 알고리즘을 통하여 다양한 설계 변수에서도 요구 조건을 만족시키는 최적 설계 안을 도출하였다. 마지막으로, 본 연구에서 설계한 로봇 관절용 VPMSM의 설계 결과를 검증하고 기존 로봇 관절용 SPMSM보다 효율이 개선되는 것을 확인하기 위하여 시험용 전동기를 제작하였고 설계 결과 및 효율 개선을 시험적으로 검증하였다. 이를 통하여 향후 저속 고 토크 어플리케이션에 사용되고 있는 전동기를 VPMSM으로 대체하여 설계하는데 도움을 주고자 한다.

In this paper, we proposed to replace the conventional surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) with Vernier permanent magnet synchronous motor (VPMSM) to improve the efficiency of robot joint motors, guidelines for designing VPMSM has been proposed. By comparing the performance of the designed VPMSM for robot joints and SPMSM for conventional robot joints, the validity of applying VPMSM to the robot joint motor was verified. In order to improve the efficiency of a robot joint electric motor that requires control precision in a small size, a motor having a simple structure, high control precision, and high torque characteristics is required. In this paper, it was determined that VPMSM is suitable, which has a simple structure and high torque performance through the flux modulation effect. VPMSM has a different characteristic from that of a conventional motor due to flux modulation effect, which causes a difference in design. In particular, the winding factor is a value that enables the electromotive force of the motor to be predicted, and it is inappropriate to apply the conventional winding factor calculation method to the VPMSM, which has different electromotive force characteristics due to the magnetic field modulation effect. Therefore, in order to consider the flux modulation effect, this paper proposes a winding factor suitable for VPMSM by applying an analytical method to the winding factor. The proposed winding factor was verified through the finite element method (FEM) and analysis results of different pole slot combination motors. In this paper, the design guideline of VPMSM is proposed through characteristics of VPMSM, winding factor according to pole slot combination, proper slot width, and loss characteristics according to pole slot combination. For optimal design, a social insect optimization algorithm (SIOA) with high accuracy and convergence speed was proposed. The accuracy and speed of convergence of the proposed algorithm were verified by comparing the search results of various test functions with those of the algorithms widely used in the past, and confirming its excellence. Through the proposed VPMSM design guidelines, a detailed design of VPMSM that satisfies the requirements of the robot joint motor was decided, and through the proposed optimization algorithm, an optimal design that satisfies the requirements in various design variables was derived. Lastly, to verify the design results of the VPMSM for robot joints designed in this study and to confirm that the efficiency is improved than the SPMSM for robot joints, a test motor was produced and the design results and efficiency improvement were experimentally verified. Through this, we intend to help design a motor that is being used in low-speed high-torque applications by replacing it with VPMSM.