2.1 SMC 재질 회전자 코어

연자성 복합재(SMC)는 철 분말 표면에 절연 코팅을 적용한 후 성형하여 제작되는 재료로, 전기강판과 달리 등방성 자기 특성을 가지는 것이 특징이다. 이러한 특성으로 인해 SMC 재질 회전자 코어는 축방향 자속 전동기에서 축 방향과 반경 방향 자속이 동시에 형성되는 자기회로에 적용하기에 비교적 유리하며, 적층 방향에 따른 자기적 이방성이 없어 자속 방향에 따른 설계 제약이 적다. 또한 분말 간 절연 효과로 인해 와전류 손실이 상대적으로 낮고, 일체형 구조 구현이 가능하다는 장점을 가진다. 반면 SMC 재질은 전기강판에 비해 포화 자속 밀도와 투자율이 낮아 고출력 밀도가 요구되는 응용에서는 토크 밀도 저하나 체적 증가로 이어질 수 있다. 또한 SMC 회전자 코어는 주로 분말 성형 공정을 통해 제작되는데, 이러한 공정은 대형 구조물이나 고밀도 회전자 코어를 구현하는 데 제약이 있으며, 정밀한 형상 제어와 높은 기계적 강성을 동시에 확보하기가 쉽지 않다. 이로 인해 SMC 회전자 코어는 고출력·고속 응용보다는 상대적으로 출력 밀도 요구가 낮고 기계적 하중이 제한적인 조건에서 주로 검토된다.

2.2 탄소강(S45C) 회전자 코어

탄소강(S45C)을 적용한 회전자 코어는 단일 강재를 가공하여 일체형 구조로 제작되는 방식으로, 높은 기계적 강성과 우수한 구조적 안정성을 제공한다. 이러한 특성으로 인해 고속 회전이나 큰 기계적 하중이 작용하는 조건에서도 구조적 변형에 대한 신뢰성이 높으며, 절삭 가공 기반의 제작 공정을 통해 비교적 용이하게 구현할 수 있다. 반면 탄소강은 전기강판과 달리 적층 구조를 갖지 않기 때문에, 자속 변화에 의해 발생하는 와전류 손실이 상대적으로 크게 나타날 수 있다. 특히 축방향 자속 전동기에서는 회전자 코어를 따라 자속이 축 방향과 반경 방향으로 동시에 변화하므로, 단일 강재로 구성된 코어에서는 손실 증가가 더욱 두드러질 수 있다. 또한 자기적 특성 측면에서도 규소강판에 비해 투자율이 낮고 철손 특성이 불리한 편이어서, 효율이 중요한 응용에서는 적용에 제약이 따른다. 이러한 이유로 탄소강 회전자 코어는 전자기적 성능보다는 구조적 안정성이 우선시되는 조건에서 주로 검토된다.

2.3 축방향 적층 전기강판 회전자 코어

축방향 적층 전기강판 회전자 코어는 전기강판을 주자속 방향으로 적층하여 구성하는 방식으로, 전기강판이 갖는 우수한 자기적 특성과 낮은 손실 특성을 회전자 코어에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 적층 구조를 기반으로 하므로 제작 공정이 비교적 간단하고, 반복성 및 제조 신뢰성 측면에서도 유리한 특징을 가진다. 반면 축방향 적층 구조에서는 반경 방향으로 형성되는 자속 성분에 대해 전기강판의 적층 효과가 제한적으로 작용하므로, 자속 누설이나 국부적인 포화가 발생할 가능성이 있다. 이러한 특성으로 인해 축방향 적층 전기강판 회전자 코어는 제작 측면에서는 유리하나, 전자기적 성능과 구조적 조건을 동시에 고려한 신중한 설계가 요구된다. 축방향 적층 전기강판 회전자 코어는 실제 산업 응용에서는 자속 흐름 방향과 적층 방향 간의 불일치로 인해 적용이 제한적인 구조로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 본 연구에서는 전기강판이 가지는 우수한 자기적 특성을 기준 모델로 설정하여, 재질 및 구조 변화에 따른 회전자 손실 특성을 비교하기 위한 참조 모델(reference case)로서 해당 구조를 포함하였다. 이를 통해 서로 다른 회전자 코어 구성 방식 간의 상대적인 성능 차이를 보다 명확하게 분석할 수 있다.

2.4 권취형 전기강판 회전자 코어

권취형 전기강판 회전자 코어는 자속 경로를 따라 전기강판을 분할하여 배치하는 구조로, 축방향 자속 전동기의 자기회로 특성을 고려한 회전자 코어 구성 방식이다. 전기강판의 적층 구조가 갖는 저손실 특성과 높은 투자율 및 포화 특성을 유지하면서, 자속 흐름 방향을 고려한 강판 배치를 통해 자속 방향과 적층 방향의 불일치로 인해 발생할 수 있는 자기적 제약을 완화할 수 있다는 특징을 가진다. 또한 연자성 복합재(SMC) 재질에 비해 높은 자속 밀도 전달이 가능하므로, 고출력 밀도가 요구되는 축방향 자속 전동기에 적용 가능한 구조로 제안되어 왔다. 반면 분할된 전기강판 요소 간의 접촉 상태, 적층 정밀도 및 체결 방식에 따라 자기적 연속성이 저하될 수 있으며, 이러한 제작 및 조립 특성은 회전자 코어의 자속 분포와 손실 특성에 영향을 미칠 수 있다.

3.1 전체 구성방식에 대한 개략적인 장단점

회전자 코어의 재질 및 구조는 전동기의 자기적 특성과 손실 특성에 영향을 미친다. 그림 5의 B–H 특성에서 전기강판은 높은 투자율과 우수한 포화 특성을 보이며, SMC와 탄소강(S45C)은 상대적으로 낮은 자기 특성을 나타낸다. 그림 6의 주파수–철손 특성에서는 SMC가 전기강판에 비해 높은 손실 증가 경향을 보인다. 한편 탄소강(S45C)은 적층 절연이 없는 벌크 재질로서 교번 자속 조건에서 와전류 손실이 지배적으로 나타나므로, 본 연구에서는 저항률을 이용한 와전류 해석을 통해 손실을 평가하였다. 전기강판 기반 회전자 코어는 전반적으로 우수한 자기 특성과 손실 저감 효과를 가지며, 구조적 배치에 따라 성능 특성이 달라진다. 특히 권취형 전기강판 회전자 코어는 성능과 손실 특성 간의 균형 확보에 유리한 구조로 평가된다.

그림 5 회전자 코어 구성에 따른 B-H 커브

Fig. 5 B–H curves of rotor core materials

그림 6 회전자 코어 구성에 따른 주파수-철손 데이터

Fig. 6 Frequency–core loss characteristics of rotor core materials

3.2 전동기 사양 및 기준 모델

본 연구에서 성능 비교를 위한 기준 모델은 16극 18슬롯 구조의 축방향 자속 전동기로 설정하였다. 기준 모델은 단일 고정자 양측에 회전자가 배치된 SSDR(Single Stator Double Rotor) 구조를 가지며, 기준 형상 및 주요 사양은 그림 7과 표 2에 나타내었다. 모든 성능 지표는 유한요소해석법(FEM)을 통해 도출하였으며, 동일한 전동기 사양과 운전 조건을 유지한 상태에서 회전자 코어 구조만을 변경하여 비교·분석하였다.

또한 해석에 사용된 재질의 물성치는 실제 재료 특성을 반영하여 설정하였다. 탄소강(S45C)의 전기전도도는 $5.7 \times 10^6$ S/m로 설정하여 와전류 손실 해석에 반영하였다. 연자성 복합재(SMC)는 Höganäs사의 Somaloy 700 3P 등급 재질을 기준으로 모델링하였으며, 제조사에서 제공하는 B–H 특성 데이터를 적용하였다. 또한 축방향 적층 전기강판 모델과 권취형 전기강판 모델에는 동일한 전기강판 재질인 35PN230을 적용하여 해석을 수행하였다. 전자기 해석은 JMAG을 이용하여 수행하였고, 모든 모델에 약 80만 개 수준의 메쉬 요소를 적용하여 해석 정확도를 확보하였다.

그림 7 전동기 기준 모델 형상

Fig. 7 Geometry of the reference motor model

3.3 전자기 성능 특성 비교

본 절에서는 회전자 코어 구성 방식에 따른 전동기의 전자기 성능을 비교·분석하였다. 무부하 역기전력, 평균 토크, 토크 리플, 손실 및 효율을 주요 성능 지표로 설정하고, 동일한 전동기 사양 및 해석 조건에서 각 회전자 코어 구조의 특성을 비교하였다.

그림 8은 회전자 코어 구성에 따른 무부하 역기전력 파형을 나타낸다. 모든 모델에서 역기전력의 차이는 크지 않았으나, 권취형 전기강판 및 탄소강(S45C) 모델이 각각 35.11 Vrms와 35.08 Vrms로 비교적 높은 값을 보였다. 반면 SMC 모델과 축방향 적층 전기강판 모델은 각각 34.98 Vrms와 34.49 Vrms로 다소 낮은 값을 나타냈다. 이는 회전자 코어 구조에 따른 쇄교자속 형성 특성 차이에 기인한 것으로 판단된다.

그림 8 회전자 코어 구성에 따른 무부하 역기전력

Fig. 8 No-load back EMF according to rotor core configuration

그림 9는 회전자 코어 구성에 따른 토크 파형을 나타낸다. 평균 토크는 모델 간 큰 차이를 보이지 않았으며, SMC 모델이 0.844 N·m로 가장 높은 값을 나타낸 반면 축방향 적층 전기강판 모델은 0.827 N·m로 상대적으로 낮은 값을 보였다. 토크 리플 특성에서는 회전자 코어 구조에 따른 차이가 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 권취형 전기강판 모델이 가장 큰 토크 리플을 보였고 SMC 모델이 가장 낮은 값을 나타냈다.

한편 권취형 전기강판 모델은 SMC 모델보다 무부하 역기전력이 다소 크게 나타났으나 평균 토크는 유사하거나 일부 조건에서는 다소 낮게 나타났다. 그림 10의 회전자 코어 자석 인접면 자속 밀도 분포를 비교하면, 축방향 적층 전기강판 및 권취형 전기강판 구조에서는 일부 영역에서 국부적인 자속 집중이 나타나는 반면, SMC 모델은 상대적으로 균일한 자속 분포를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 국부 자기포화는 쇄교자속 증가에 영향을 줄 수 있으며, 이에 따라 무부하 역기전력 특성에 영향을 미칠 수 있다.

그림 9 회전자 코어 구성에 따른 토크

Fig. 9 Torque characteristics according to rotor core configuration

그림 10 회전자 백요크 자속밀도 플랏

Fig. 10 Magnetic flux density distribution in rotor back yoke

그림 11의 공극 자속밀도 FFT 분석 결과, 토크 생성에 직접적으로 기여하는 기본파 성분의 크기는 두 모델 간 큰 차이를 보이지 않았다. 따라서 전자기 평균 토크는 모델 간 유사한 수준으로 나타났다. 또한 본 연구에서 제시된 평균 토크는 손실을 고려한 축토크 기준으로 산정되었기 때문에, 권취형 전기강판 모델의 경우 상대적으로 큰 회전자 손실의 영향으로 최종 평균 토크가 일부 감소한 것으로 해석된다.

그림 11 회전자 코어 구성에 따른 공극자속밀도 고조파

Fig. 11 Harmonic components of air-gap flux density for different rotor core configurations

그림 12은 회전자 코어 구성에 따른 회전자 손실 특성을 나타낸다. 본 연구에서 회전자 손실은 영구자석 와전류 손실과 회전자 백요크 철손을 포함한 총 회전자 손실로 정의하였다. 고정자 손실은 모든 모델에서 약 19.85~20.50 W 범위로 유사한 수준을 보였으나, 회전자 손실은 회전자 코어의 재질 및 구조에 따라 뚜렷한 차이를 나타냈다.

그림 12 회전자 코어 구성에 따른 회전자 손실

Fig. 12 Loss characteristics for different rotor core configurations

회전자 백요크 철손은 히스테리시스 손실과 와전류 손실이 결합된 형태로 나타나며, 특히 적층 절연이 존재하지 않는 탄소강(S45C) 모델에서 크게 증가하였다. 반면 SMC 모델은 분말 간 절연 특성으로 인해 와전류가 효과적으로 억제되어 가장 낮은 회전자 철손을 나타냈다.

전기강판 기반 구조에서는 동일 재질을 적용하더라도 구조에 따라 손실 차이가 발생하였다. 축방향 적층 전기강판 모델은 적층 구조에 의해 와전류 억제 효과가 나타나 비교적 낮은 회전자 손실을 보였으며, 권취형 전기강판 모델은 자속 전달 특성은 우수하였으나, 상대적으로 높은 자속 밀도와 국부 자속 집중의 영향으로 회전자 철손이 다소 증가하는 경향을 보였다.

표 3은 회전자 코어 구성에 따른 전자기 성능을 최종적으로 나타낸 표이다. 출력 및 효율 특성을 비교한 결과, 모든 모델에서 출력은 유사한 수준을 보였으나 효율은 회전자 손실 크기에 따라 차이를 나타냈다. SMC 모델이 가장 높은 효율을 보였으며, 탄소강(S45C) 모델은 회전자 손실 증가로 인해 가장 낮은 효율을 나타냈다. 이러한 결과는 축방향 자속 전동기에서 회전자 코어 설계 시 자속 전달 특성과 함께 전체 회전자 손실 특성을 동시에 고려할 필요가 있음을 보여준다.

회전자 코어 구성 방식은 전자기적 성능뿐만 아니라 제작 공정과 재료 특성에 따라 경제성 측면에서도 서로 다른 특성을 가진다. SMC 재질은 철 분말을 금형으로 성형하는 방식으로 복잡한 형상을 일체형으로 제작할 수 있어 설계 자유도가 높다. 탄소강 구조는 가공이 용이하지만 손실 증가의 단점이 있다. 전기강판 기반 구조는 재료 단가 측면에서는 유리하나 적층 및 조립 공정이 요구된다. 따라서 실제 설계에서는 성능과 함께 제작 용이성과 경제성을 종합적으로 고려할 필요가 있다.