2.1 시제품 제작용 슬롯리스모터

3D프린터를 이용하여 시제품모터의 특성측정을 하기 위해서는 간단한 구조를 가지는 모터를 선정하는 것이 좋으므로 제작가능한 모터 중에 자성체의 구조가 매우 간단한 슬롯리스모터를 이용하여 시제품 측정을 하도록 한다. 일반적인 슬롯리스모터는 코일이 코어에 감기는 것이 아니라 백요크는 실린더형태의 자성체를 가지는 매우 간단한 형태이고, 코일을 몰딩하거나 끼워맞출 수 있는 부품형태로 조립하여 만들기 때문에 3D프린터를 이용한 시제품제작의 가능성을 테스트하기에 적합하다⁽⁵⁾⁽⁶⁾.

아래의 그림 3은 블록코일 형태의 슬롯리스모터로서, 3D프린터를 이용하여 코일블럭을 보빈형태로 제작할 수 있어 3D프린팅기술을 적용해 보기에 알맞은 모델이다.

블록코일형태의 슬롯리스모터를 실제로 제작하기 위해서는 코일을 수지물 속에 넣고 인서트 사출을 이용해서 코일블록을

제작해야 하는데, 이 과정에서 코일을 성형하기 위한 지그와 사출금형을 제작해야 하고, 제작된 금형에 코일을 넣고 사출을 시행하는 인서트사출 기술이 필요하다.

그렇지만 사출금형은 상당히 고가이며 한 번 만들어진 사출금형을 수정하는 것은 매우 어렵기 때문에 초기 아이디어구상 단계에서 실제로 제작이 가능한지를 알아보기 위해 금형을 제작하는 것은 무리가 있다. 이와 같은 경우 3D프린터를 이용하여 모터의 하우징과 고정자 및 회전자구조를 출력하여 만들어보고 실제 제작이 가능한지를 알아보는 용도로 사용할 수 있는지 시험해 볼 필요가 있으며, 이 과정에서 모터의 특성을 어느 정도 짐작해 볼 수 있다.

실제 제작되는 슬롯리스모터는 적층강판을 이용하여 제작되기 때문에 투자율이 매우 높고 강도도 뛰어나지만, 3D프린터를 이용하여 제작해 보는 시제품모터는 큰 토크를 내거나, 부하시험을 하기에는 어려움이 있지만, 모터의 주요특성인 역기전력 파형을 예측하는데 사용할 수 있다.

아래의 그림 4와 표 1은 제작해 보고자 하는 슬롯리스모터의 유한요소해석 모델과 시제품 모터의 사양이다.

슬롯리스모터는 기본적으로 자성체 슬롯을 가지고 있지 않지만, 회전자에 포함되어있는 자석으로부터 나온 자속이 코일을 쇄교하고 다시 자석으로 돌아가는 루프의 자기저항을 줄여 슬

롯리스모터는 기본적으로 자성체 슬롯을 가지고 있지 않지만, 회전자에 포함되어있는 자석으로부터 나온 자속이 코일을

쇄교하고 다시 자석으로 돌아가는 루프의 자기저항을 줄여주기 위해 코일의 외측부에 적층철심요크를 사용한다. 따라서 실제로 적층철심이 사용되는 부분은 실린더 형태의 고정자요크부가 유일하며, 회전자에는 적층철심을 사용하지는 않는다.

실제의 슬롯리스모터는 회전자 자석을 표면부착형자석(SPM: Surface Pernament Magnet)을 사용하지만, 현단계의 초기시제품에는 제작비용을 최소화하여 모터의 특성파악을 해보기위해 시중에서 쉽게 구할 수 있는 막대형태의 Nd자석을 이용할 수 있는 IPM형태의 회전자를 구현하였다.

2.2 자성체 필라멘트 유효성 검증을 위한 시제품제작

자성체필라멘트를 이용하여 3D프린팅한 모터 자성부품의 효과를 비교해 보기 위하여 코일외부에서 자속궤환루프를 형성해주는 백요크와 회전자를 자성필리멘트를 이용한 부품과 일반필라멘트를 이용한 부품으로 제작하여 비교하여 보았고, 적층전기강판을 이용한 경우와의 비교를 위해 자성회전자재료에 적층강판을 사용한 모델을 같이 제작하여 3가지 모델에 대해 유한요소해석과 실제 제작 후 측정한 역기전력파형을 비교하여 보았다.

아래의 그림 5에 3D프린터를 이용하여 제작된 시제품 모터를 보였다. 자성재료필라멘트를 이용하면 일반 PLA필라멘트에 비해 약간 더 무거우며 자석에 붙는 형태로 출력이 되며, 하우징과 같은 부품은 일반 PLA소재를 이용하여 제작하였고, 슬롯리스 블록코일은 3D 프린터를 이용하여 블럭코일의 형태를 가진 보빈을 만들어 출력한 뒤 턴수에 맞도록 코일을 감고 에폭시수지로 몰딩마감하였다.

2.3 유한요소해석과 측정치 비교

3D프린터를 이용하여 제작된 시제품 모터는 실제 전기적층강판과 표면자석부착형 회전자보다는 쇄교자속량이 많이 떨어지기 때문에 충분한 토크를 발생시킬 수는 없지만, 블록코일형 슬롯리스모터의 동작가능성을 알아보고 유한요소해석 소프트웨어를 이용하여 검증이 가능한지를 확인하는 용도로는 충분히

사용가능할 것으로 보이지만, 일반적으로 모터에 사용되는 자성재료인 적층강판을 사용할 때에 비해서 몇가지 해석상의 주의점이 필요하다.

회전자와 백요크에 자성재료를 사용하지 않은 경우, 영구자석으로부터 나온 자속이 자성체를 통과하지 않고 코일을 쇄교하기 때문에 일반적인 유한요소해석과는 다르게 모터의 외경으로부터 고정경계조건을 적용하는 외부경계를 충분히 멀게 설정해야 할 필요가 있다.

자성체 백요크가 있는 경우는 대부분의 자속이 백요크를 통해 궤환되기 때문에 외부경계가 가깝거나 백요크외경에 거의 근접하다시피 설정되어도 쇄교자속량 해석결과에 큰 차이가 없으나, 자성체 백요크를 사용하지 않는 경우는 모터외경으로부터 충분히 먼 고정경계가 설정되지 않으면 실제보다 더 큰 쇄교자속을 가지는 것으로 해석되어 나오기 때문에 모터외경의 최소한 5~10배 이상의 크기를 가지는 외부경계를 설정해야 한다는 점이 특징이다.

본 논문의 시뮬레이션에서는 모터외경의 5배로 외부경계의 모델을 정하고 고정경계조건을 설정하였다. 그 결과 외부경계가 모터외경과 밀접하게 근접하거나 모터외경의 2배이내인 경우는 실제 측정치에 비해 약 70%정도밖에 역기전력이 나오지 않는 것을 알 수 있었는데, 이는 자석으로 부터나온 자속이 코일영역을 통과하지 못하고 다시 자석으로 궤환되는 자기경로를 가지는 것으로 해석되기 때문이다.

이런 현상을 확인해보기 위해 아래의 그림 6에서 보이는 측정장치를 이용해서 모터를 외부에서 회전시켜주고 이때 발생하는 역기전력을 측정하여 유한요소해석결과와 비교하여 보았다.

아래의 그림 7에서 보이는 자속선도는 회전자와 요크에 자성체를 사용하지 않은 경우를 유한요소해석으로 해석한 결과 자속선도로서 모터의 외경 바깥쪽으로도 자속이 많이 뻗어 나간 것을 확인할 수 있다.

이때의 유한요소해석결과와 측정장치를 통해 측정한 실제 역기전력을 그림 8에서 비교하였는데, 최대치가 약 1.2V로 유사하게 측정되는 것을 알 수 있었다.

또한, 고정자요크와 회전자를 자성체 필라멘트를 이용하여 출력하고 같은 실험과 시뮬레이션을 반복하였는데, 그림 7과 비교하여 모터의 외부로 뻗어나간 자속이 확연히 줄어든 것을 확인할 수 있었다.

마지막으로 제작하는데 비용이 많이 소요되는 자성체필라멘트 회전자는 그대로 두고, 고정자 요크를 적층철심으로 변경하여 시뮬레이션과 측정을 진행해 보았다. 그림 11에서 볼 수 있듯이 고정자 외경 밖으로 뻗어나가는 자속이 거의 보이지 않는 것을 알 수 있었으며, 이 경우에는 유한요소해석의 외부 고정경계를 자석의 외졍과 근접하게 설정해도 해석결과 값에 큰 차이가 없었다.

2.5 자성필라멘트 효과 비교

유한요소해석에 의한 역기전력과 실제 제작 후 측정한 역기전력을 비교하는 과정을 통해 자성체 필라멘트를 사용하여 3D프린터로 출력한 자성체부품의 경우 낮은 투자율을 가지고 있으므로 시제품모터에 사용할 경우 시뮬레이션이 가능한지를 알아보았으며, 실제 자성재료로 활용할 경우 어느 정도의 효과를 보이는지 알아보기 위해 자성재료필라멘트를 요크와 회전자에 사용하지 않은 경우와 사용한 경우, 그리고 요크를 일반적인 모터에 사용하는 적층강판을 사용한 경우, 어느 정도의 성능을 보이는지를 비교하여 보았다.

비자성 요크와 비자성회전자를 사용한 경우를 기준으로 설정하여 100%로 두고, 자성회전자와 자성요크, 자성회전자와 적층전기강판요크를 사용한 경우를 각각 비교하여 보았으며, 각각을 Model1, Model2, Model3로 표시하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

각각의 모델은 비자성재료를 사용한 경우에 비해 약 20%, 60%정도의 역기전력 상승효과를 볼 수 있었으며, 기구적인 구조는 동일하기 때문에 쇄교자속이 각각 20%와 60% 증가한 것으로 볼 수 있다.

일반적으로 비자성재료를 사용한 경우, 혹은 낮은 투자율을 가지는 자성체필라멘트를 사용한 경우에 비해 적층강판을 사용한 경우는 쇄교자속이 크게 증가할 것으로 기대하기 쉬우나, 슬롯리스모터의 경우는 자기적인 공극이 일반 모터에 비해 매우 크기 때문에 자성체회전자와 적층강판요크를 사용하는 경우에도 극적으로 쇄교자속량이 증가하지는 않는 것을 볼 수 있었으며, 각각의 경우를 그래프로 나타내어 비교한 것을 그림 13에 표시하였다.