2.1 동손저감을 위한 고정자 형상 설계

본 논문에서 설계 된 영구자석 모터는 자동차 조향 모터로 8극 12슬롯 집중권선 방식으로 설계되었다. Fig. 1은 속도 토크 곡선을 나타내고 있으며 표 1은 모터의 사양을 나타내고 있다.

기존 모델을 양산하기 위해 개선해야 할 사항은 모터 사이즈를 유지하면서 기존 코일선경 1.9mm를 1.95mm로 증가시키고 0.25mm 절연지를 0.5mm 보빈으로 변경하여 설계하는 것이다. 상기 요구조건을 만족시키는 설계를 할 경우 Fig. 2에서 보는 것과 같이 코일간 간섭이 발생된다.

코일과 고정자 코어 사이에 절연물은 양산성을 높이기 위해 보빈이 적합하나 쉽게 파손될 수 있기 때문에 최소 0.5mm 이상은 필요하다. 모터 사이즈를 고정한 상태에서 코일의 선경을 키우고 절연물 사이즈까지 키워야 되기 때문에 고정자 Teeth 기존 7mm에서 6mm로 줄여서 해석하였다. 해석결과 Teeth 포화로 인해 출력이 3.5% 감소되어 좋은 설계 방향은 아니다. Fig. 3은 Teeth 두께에 따른 포화자속 밀도를 보여주고 있으며 Fig. 4는 Teeth 두께에 따른 토크 특성을 보여주고 있다.

Fig. 5는 고정자 및 보빈 형상에 따른 모델을 보여주고 있다. A 모델의 경우 코일의 권선을 다양하게 배치하여 요구조건을 만족시킬 수 있지만 보빈 형상이 복잡하고 코일을 정렬하는데 있어 어려움이 있다. B 모델의 경우 코일 선경 1.95mm와 동일한 면적을 갖는 평각권선을 사용하는 경우이다. 평각선을 사용할 경우 11턴까지 권선이 가능하며 코일면적을 더 많이 증가 시킬 경우 동손을 더 줄일 수 있는 방법이다. 하지만 양산가격이 상승되는 문제가 있다. Teeth부와 Yoke부 사이의 형상을 C 모델과 같이 할 경우 개선사항에서 요구했던 사항들을 만족하면서 소음/진동 측면에서도 유리한 면이 있다. 이와 같이 고정자 및 보빈 형상 검토를 통해 C 모델로 설계하였다.

Fig. 1. T-N curve of steer by wire

Fig. 2. Original model and improvements

Fig. 3. Saturation magnetic flux density

Fig. 4. Torque curve

Fig. 5. Stator and bobbin shape

2.2 공극을 줄이기 위한 슈형상 설계

모터의 공극은 출력 및 효율 측면에서 볼 때 가능한 작게 설계하는 것이 좋다. 하지만 공차 및 회전자 편심이 존재하기 때문에 무조건 작게 할 수는 없다. 일반적으로 공극의 길이는 회전자 외경, 적층길이, 모터 속도, 모터 제작 기술에 따라 결정된다^[5-7]. 기존모델의 공극은 0.55mm로 되어 있다. 본 절에서는 공극을 줄이면서 역기전력 THD 및 코깅토크를 개선하는 설계를 하였다. Fig. 6은 기존모델과 개선 설계된 고정자 슈 형상을 보여주고 있다. 기존모델은 고정자와 회전자 사이의 공극이 일정한 형상이며 개선모델은 공극의 형상이 일정하지 않다. 공극이 일정할 경우 회전자 표면이 고정자 표면과 마주하는 면적이 크기 때문에 회전자 편심에 의해 서로 접촉될 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 또한 고정자 슈에 존재하는 공극에서의 자기저항이 동일하여 공간 고조파가 크다. 개선모델의 경우 회전자 표면과 고정자 표면이 마주하는 부분이 작아 기존모델에 비해 공극을 줄 일 수 있는 형상이다. 또한 a-b, a-c 사이의 공극이 일정하지 않고 자기저항이 일정하지 않아 공간 고조파가 기존모델에 비해 작다. 이러한 형상은 정현적인 역기전력을 만들고 코깅토크를 줄일 수 있다. 하지만 개선모델의 경우 유효공극이 증대되고 퍼미언스 계수가 작아져서 출력측면에서는 불리하다. 본 설계에서는 이러한 문제를 공극을 줄여 보상하였다. Fig. 7은 기존모델과 개선모델의 코깅토크를 보여주고 있다. 고정자 슈 형상만 변경하여 코깅토크를 23.1% 개선할 수 있었다.

Fig. 8은 역기전력을 고조파 분석한 결과를 보여주고 있다. 기존모델의 역기전력 THD는 4.42%이고 개선모델은 1.62%로 개선모델의 공간고조파가 줄어든 것을 볼 수 있다.

Fig. 6. Shoe shape of original model and improvement model

Fig. 7. Cogging torque

Fig. 8. Harmonics of EMF

2.3 기존모델과 개선모델 특성해석 결과

개선모델은 사이즈 증대 없이 보빈 및 코일 선경을 증대시키고 공간고조파 및 공극을 줄이는 설계를 하였다. Fig. 9와 Fig. 10에서 볼 수 있듯이 기존모델과 개선모델의 포화자속밀도 및 토크특성은 유사하다.

Fig. 11은 기존모델과 개선모델의 특성해석 결과를 보여주고 있다. 특성해석 결과 모든 특성이 기존모델과 동일하며 1,300rpm에서 약계자 제어도 잘 되는 것을 볼 수 있다. 개선모델은 코일을 1.95mm로 증대시켰기 때문에 동일 전류 90Arms를 인가하더라도 동손이 5.1% 감소되었다. 기존모델의 동손은 362.6W이며 개선모델의 동손은 344.1W 이다. 또한 전류밀도를 15.7$A/mm^{2}$에서 14.9$A/mm^{2}$로 줄였다. 이러한 결과는 모터에서 열이 제일 많이 발생되는 코일부의 온도를 낮추어 여러 측면에서 유리하다. 철손은 Teeth와 Yoke 사이의 포화레벨이 낮아져서 다소 감소될 것으로 판단되었으나 코어 사용량 증대로 철손은 동일 수준이다. 기존모델 최대 효율과 평균 효율은 80.2%, 70.4%이며 개선모델은 81.1%, 71.3%이다.

Fig. 9. Saturation flux density of original model and improvement model

Fig. 10. Torque curve

Fig. 11. Characteristics according to speed

2.4 회전자 강도해석

본 연구에서 설계된 모터는 영구자석이 회전자에 삽입되어 있는 매입형 영구자석 모터로 Rib가 존재하여 고속 운전 시 회전자 코어가 이탈되어 모터가 소손될 수 있다. Rib 두께를 키울 경우 기계적 성능은 향상되지만 누설이 증가하여 모터 효율 및 출력이 감소 된다. 따라서 전기적인 성능 및 기계적인 성능을 동시에 고려한 Rib 설계가 필요하다. 기존모델의 Rib 두께는 0.5mm로 되어 있지만 배리어 형상 설계를 통해 Rib 두께를 0.45mm까지 줄였다. 본 연구에서 설계된 영구자석 모터는 조향모터로 회전자 외경이 작고, 고속에서 운전하지 않기 때문에 회전자가 이탈되어 소손 되는 경우는 거의 발생되지 않으나 양산을 고려할 경우 회전자 강도해석에 따른 형상 설계 최적화는 반드시 필요하다. Fig. 12는 현재 양산되고 있는 조향모터와 개선모델의 강도해석 결과를 보여주고 있다. 기존모델은 197.8MPa로 안전율이 2.0이며, 개선모델은 150.5MPa로 안전율이 2.6이다. 이는 개선모델이 고속 운전 시 더 안전하게 운전할 수 있다.

Fig. 12. Analysis of rotor strength

2.5 개선모델 평가 및 분석

본 연구의 타당성을 검증하기 위해 개선 설계된 영구자석형 모터를 제작하여 평가하였다. Fig. 13은 제작된 기존모델과 개선모델이다. 동일한 사이즈에서 양산성을 고려하여 보빈을 적용하였고 코일 선경을 1.95mm로 증대 했음에도 불구하고 고정자 형상 설계를 통해 권선 작업하는데 문제가 발생되지 않았다. Fig. 14는 개선모델을 평가한 다이나모미터를 보여주고 있다. 모터의 성능을 평가하고 제작이 잘 되었는지 확인하기 위해 역기전력 측정은 매우 중요하다. 역기전력의 파형 및 크기를 통해 권선작업이 잘 되었는지 착자가 잘 되었는지 등 기본적인 제작성을 확인할 수 있다. Fig. 15는 개선모델의 1,300rpm에서 측정된 역기전력과 해석결과를 보여주고 있다. 해석결과 상역기전력 3.1Vrms 이고 측정된 결과는 3.1Vrms, 2.9Vrms, 3.2Vrms로 해석결과와 매우 유사한 결과가 나왔다.

Fig. 16은 개선모델의 해석한 토크결과와 측정된 토크결과를 보여주고 있다. 해석결과는 6.15Nm이고 측정결과는 6.13Nm로 역기전력 결과처럼 매우 유사한 결과를 얻었다. 이러한 결과는 고정자 형상 설계를 통해 절연성능 및 동손을 줄여서 모터의 효율 및 내구성을 높일 수 있음을 보여준다.

Fig. 13. Manufactured motor

Fig. 14. Measuring equipment

Fig. 15. EMF results@1,300rpm

Fig. 16. Torque results@1,300rpm