원성홍
(Sung-Hong Won)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Servo-motor, Block-coil, Slotless Motor
1. 서 론
최근 반도체 공정과 같은 초정밀 자동화공정이나 산업용로봇 및 휴머노이드와 같은 제어영역에 있어서 서보시스템 및 스마트엑추에이터의 수요가 급증하면서,
저진동소음 요구를 만족시킬 수 있는 정밀 서보모터에 대한 개발필요성이 증가하고 있다[1].
특히 최근에 다양한 모빌리티에 대한 수요가 증가하면서, 구동장치 또한 요구사항이 복잡해지고 있는데, 일반적인 수송장치에 서 요구되던 단순구동이 아닌
2축 혹은 3축 이상의 자유도를 요구하는 경우도 증가하고 있어, 다축구동장치를 구현하기 위해 사용되는 서보모터에 대한 연구개발 또한 필요하다.
서보모터는 모터의 제어적 특성을 극대화 하기위한 모터로서 초정밀 위치제어에 사용되기 위해 고분해능을 가진 엔코더나 레졸버와 같은 위치센서와 정밀제어기가
결합되는 서보시스템으로 구성되는 경우가 많은데, 대체적으로 고가의 부품인 서보제어기의 마이크로프로세서나 DSP의 성능을 지나치게 높게 요구하지 않기
위해서는 서보시스템에 사용되는 서보모터의 기본적인 진동소음 특성이 우수해야 하며, 전류대 토크 응답성이 선형성을 가질 필요가 있다[2].
이런 특성이 요구되는 서보모터에는 코깅토크와 같은 가진원이 매우 작게 억제되어야 할 필요가 있으므로, 코어의 형상과 영구자석의 착자패턴에 의해 발생하는
코깅토크를 최소화하는 최적화 개발이 이루어지거나, 근본적으로 코깅코크가 발생하지 않는 모터를 사용하게 되는데, 원리적으로 코깅토크가 발생하지 않는
모터에는 그림 1 과같은 슬롯리스모터가 대표적이다.
그림 1. 초정밀 제어를 위한 서보모터의 예https://www.maxongroup.co.kr/
Fig. 1. Examples of A Servomotor for Precision Control
서보모터로서 슬롯리스 모터가 가지는 장점은 전술한 바와 같이 코깅토크가 발생하지 않으므로, 주요 가진원을 제거할 수 있으며, 역기전력의 총 고조파
왜곡(THD: Total Harmonic Distortion)을 매우 작게 할 수 있어, 정현파에 가까운 역기전력을 얻을 수 있으며, 결과적으로 토크리플을
매우 작게 억제할 수 있다[3].
또한 고정자를 구성하는 철심의 사용이 최소화 되어 철손을 매우 작게 할 수 있고, 치형상이 없는 단순한 실린더 형상의 요크를 사용하므로, 자기포화가
거의 일어나지 않아 전류대 토크응답의 선형성이 매우 좋다.
반면, 슬롯리스모터는 권선의 인덕턴스가 상대적으로 작아서, PWM주파수를 상대적으로 높게 가져가기 위해 인버터의 반도체스위치를 고속으로 구동하거나,
인버터의 출력단에 별도의 리엑터를 달아야 하는 경우도 있을 수 있다는 제약사항이 있다.
이런 슬롯리스모터의 장단점을 비교해 보면 서보제어를 위해서는 슬롯리스모터를 사용하는 것이 매우 유리하다는 것을 알 수 있지만, 실제로 서보시스템에
슬롯리스모터를 사용하는 경우는 비교적 낮은 출력에 초정밀제어가 필요한 반도체 미세공정이나, 정밀 고속 제어 로봇 등으로 한정되는데, 그 주요 원인은
그림 2에서 볼 수 있듯이, 슬롯리스모터의 권선은 철심이 없이 순수하게 권선으로만 고정자권선의 형태를 유지해야 하므로 제조공정이 매우 복잡하거나, 비용과
시간이 많이 소요되어, 슬롯리스 모터의 원가경쟁력이 슬롯이 있는 일반적인 BLDC나 PMSM에 비해 낮기 때문이라고 볼 수 있으며, 큰 토크를 내는
모터를 만들기가 쉽지 않아 고출력의 서보시스템에는 적용하기 어렵기 때문이다.
그림 2. 기존 슬롯리스모터의 권선제작과정
Fig. 2. Conventional winding process of Slotless Motors
이런 슬롯리스모터의 제작상 어려움을 극복하기 위해 다양한 권선법을 이용한 제조기술이 개발되거나, 특허로 출원되고 있으며, 이런 기술들이 적용된 슬롯리스모터는
고가의 고정밀 서보시스템이라는 특수한 용도의 시장을 형성하고 있다고 볼 수 있다.
본 논문에서는 복잡한 슬롯리스모터의 고정자권선을 최소단위로 분리하여 부품화 한 후, 이들을 조립공정을 통해 하나의 고정자 권선으로 결합할 수 있는
블록코일이라는 기술을 개발하고, 이런 블록코일기술을 실제 제작할 수 있도록 블록코일의 시제품을 제작하여 그 결과를 검증하였다[4].
2. 블록코일방식 슬롯리스모터
블록코일 방식 슬롯리스모터는 제작이 어려운 슬롯리스모터의 고정자코일을 인서트사출기술을 이용하여 각 상의 권선코일을 구성하는 최소의 단위로 부품화하여
분리한 후, 조립을 통해 슬롯리스모터의 전체적인 고정자권선을 완성할 수 있는 구조를 가지고 있는 모터이다.
슬롯리스모터가 전체 고정자 코일을 구성한 후 몰딩을 통해 제작해야되기 때문에 제조에 시간이 걸리고, 대량생산에 불리해 공정비용이 상승되는 반면, 블록코일의
경우는 코일을 구성하는 최소한의 코일블록을 인서트사출기술을 이용하여 제작되므로, 코일블록의 제조시간이 매우 짧고 대량생산에 유리한 장점이 있다.
2.1 블록코일 모터 설계 및 제작
슬롯리스모터는 기존의 슬롯형 모터의 제조공정에서 공정시간과 비용을 증가시키는 권선기를 이용한 권선공정이 없는 대신, 권선을 미리 성형하여 고정자에
결합될 수 있도록 몰딩을 이용한 공정을 주로 사용하고 있어, 슬롯형 모터 이상으로 공정시간과 비용을 증가시키는 요인이 되고 있다.
본 논문에서 제안하는 블록코일 방식의 권선방법은 기존의 슬롯리스모터와는 다르게, 전체의 코일을 하나의 고정자로 구성하여 몰딩하는 방식이 아닌, 각
상의 권선코일을 최소한의 단위로 감아 코일 블록을 형성하고, 이 코일 블록을 조립하여 고정자권선을 완성하는 방식으로서, 개별 코일 블록의 구조가 간단하고,
몰딩공정대신 빠르고 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 인서트사출공정을 사용하기 때문에, 모터의 제조공정을 단순화 할 수 있고, 대량생산에 유리한 공정으로
전환할 수 있다.
고정자를 구성하는 블록코일의 개별 블록코일의 형태는 아래의 그림 3에서 볼 수 있듯이 In코일과 Out코일의 쌍의 조합으로 구성되며, 각 상별로 In코일과 Out코일의 쌍이 있어햐 하므로, 고정자를 구성하는 최소의
블록코일 수는 6개가 되며, 미리 성형된 에나멜 코일을 사출금형에 넣어 인서트사출하는 방식으로 제작되므로, 최종적으로 조립되는 고정자는 백요크에 압입될
수 있어 그림 4와 같이 서로 강하게 결합되는 구조를 가지게 된다.
그림 3. 개별 코일블록 및 인서트 사출 블록
Fig. 3. Each Coil Block and Insert Injected Block
그림 4. 조립하여 압입된 블록코일 고정자
Fig. 4. Assembled and Pressed Block-coil Stator
2.2 블록코일 방식 슬롯리스모터의 설계를 위한 등가회로
블로코일방식 슬롯리스모터는 기본적으로 슬롯리스모터의 특성을 가지고있기 때문에, 고정자 백요크에 포화영역이 거의 없는 슬롯리스모터의 특성상 등가회로해석에
의한 계산값이 유한요소해석과 같은 수치해석값과 크게 차이가 나지않는 장점이 있다. 따라서 아래와 같은 영역구분에 따라 자속의 경로를 가정하면 그림 5와 같은 모터의 설계를 위한 자기등가회로를 구성할 수 있다[5].
그림 5. 자기등가회로 구성을 위한 영역구분
Fig. 5. Domain distinction for magnetic equivalent circuit
여기서 영구자석에 의해 발생한 자속이 지나가는 경로의 자기등가회로를 구성해 보면 아래와 같은 식이 유도된다.
영구자석의 자속과 자기등가회로의 자기저항으로부터 공극의 자속 및 자속밀도를 구하면 아래의 식과 같다.
여기서, p, Dg, Lstk는 각각 극수, 공극의 직경, 축방향적층길이를 의미한다.
이 식을 이용하여 형상치수비를 2로 설정한 후, 공극직경과 적층길이를 분리하여, 토크를 계산하는 식을 유도할 수 있고, 이 식을 이용하여 슬롯리스모터의
설계를 진행하였다.
다음의 표 1은 시제품모터 설계를 위한 사양이며, Maxon의 200W급 초정밀 서보모터와 유사한 특성을 가지도록 24V 전원 전압에서 10000rpm의 속도를
낼 수 있도록 설계되었으며, 등가회로해석 결과를 그림 6와 같이 유한요소해석을 통해 검증하여 반복적으로 수정하는 방법을 통해 서보모터의 특성을 최대한 살릴 수 있도록, 역기전력의 THD(Total Harmonic
Distortion)를 1% 이하가 되도록 설계하였다.
그림 6. 자속밀도 포화도 시뮬레이션 결과
Fig. 6. Flux Density of Simulation result
표 1 시제품 모터의 설계 사양
Table 1 Prototypr Motor Design Specifications
|
구분
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사양
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극수
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4
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코일수
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6
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적층길이
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50[mm]
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고정자외경
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42[mm]
|
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턴수
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15턴
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공극
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1[mm]
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영구자석재질
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38SH
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회전자요크재질
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S45C
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비산방지 슬리브재질
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SUS316
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마그넷 스큐각도
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60°
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2.3 블록코일 모터의 제작
코일 블록은 미리 성형된 권선 코일을 사출을 위한 금형에 넣어서 만드는 인서트사출방식을 사용하기 때문에, 금형에 안착될 수 있도록 코일을 성형하는
것이 제작에 있어 매우 중요한 과정 중의 하나이다. 권선 지그 혹은 금형 등을 이용하여 미리 성형한 권선코일을 아래의 그림 7과 그림 8에서 보여주고 있다.
그림 7. 인서트 사출된 코일 블럭
Fig. 7. Insert-injected Coil Block
그림 8. 미리 성형된 권선 코일
Fig. 8. Pre-formed Winding Coil
아래의 그림 9은 인서트사출방식을 이용하여 제작된 코일블록의 세트를 보여주고 있는데, 코일블록은 In코일과 Out코일의 세트로 구성되므로 두 개의 약간 다른 모양의
코일 블록을 볼 수 있다.
그림 9. 조립된 블록코일 고정자
Fig. 9. Assembled Block-coil Stator
이렇게 제작된 각 상의 In코일과 Out코일 블록들을 서로 결합하여 결선용PCB를 조립하고 백요크에 압입하면 아래의 그림과 같이 고정자를 완성할 수
있고, 여기에 회전자와 하우징을 결합하는 간단한 공정으로 모터를 완성할 수 있다[6][7].
2.4 제작된 블록코일모터 특성실험
In코일과 Out코일을 조립하여 백요크에 압입하고 PCB를 결합한 블록코일고정자는 그 자체로 모터 고정자의 모든요소를 갖추고 있으므로, 이 고정자를
하우징에 고정하고, 배선을 연결한 후, 고정자를 삽입하면 모터의 조립과정이 완성된다.
필요에 따라서는 홀센서를 내장시키거나, 별도의 홀센서 모듈을 외부에 부착하는 방식으로 설치할 수 있으나, 제작된 시제품에는 그림 10과 같이 외부에 별도의 엔코더를 달아서 성능측정을 하였다.
그림 10. 제작된 블록코일모터
Fig. 10. Manufactured Block-coil Motor
제작된 모터의 특성측정을 위하여 3000rpm 에서의 역기전력을 측정하였고, 그 특성을 아래의 그림 11에 나타내었다. 측정된 역기전력은 선간전압 기준으로 7.8Vrms 로 측정되었고, 상전압기준으로 변환하면 4.5 Vrms의 값을 가진다. 이는 초기에
설계된 대로 수치해석을 통해 얻은 시뮬레이션값인 4.634 Vrms와 약 2.7%정도의 오차가 발생하는 것으로 초기에 설계한 특성에 크게 벗어나지
않게 설계된 것을 알 수 있다.
서보모터에서 역기전력의 크기 못지않게 중요한 특성은 낮은 코깅토크와 역기전력의 THD(Total Harmonic Distortion) 값이다. 두
가지 다 모터의 진동과 소음을 유발하고 정밀한 제어를 어렵게 만드는 요인이 되기 때문에, 초정밀 서보제어를 위해 사용되는 모터에서는 가능한 최소화하기
위해 노력하는 특성치가 된다.
그림 11. 블록코일모터의 역기전력 측정 결과
Fig. 11. Back-EMF Measured Result of Block-coil Motor
표 2 역기전력 비교
Table 2 Comparison of BackEMFs
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항목
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데이터
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단위
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|
측정 역기전력 @3,000rpm
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4.507
|
Vrms
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|
해석 역기전력 @3,000rpm
|
4.634
|
Vrms
|
|
오차
|
2.74
|
%
|
블록코일모터는 기본적으로 슬롯리스모터의 특성을 가지고 있기 때문에 코깅토크는 이론적으로 0이 되며, 이를 확인하기 위해 코깅토크메터를 이용하여 측정한
블록코일모터의 코깅토크는 측정노이즈 수준으로 그림 12와 같이 사실상 0로 측정되었다.
그림 12. 블록코일모터의 코깅토크 측정 결과
Fig. 12. Cogging Torque Measured Result of Block-coil Motor
또한 역기전력의 THD를 측정하기 위하여 YOKOGAWA 전력분석계를 이용한 THD측정실험으로 실시하였으며 3,000rpm에서의 결과는 그림 13에서 볼 수 있듯이, THD값이 약 0.336%로 초정밀 서보모터를 위해 사용할 수 있는 모터로서 매우 우수한 특성을 보임을 알 수 있었다.
그림 13. 블록코일모터의 THD 측정 결과
Fig. 13. Measured THD Value of of Block-coil Motor
마지막으로, 블록코일 서보모터의 부하시 특성을 측정하기 위하여 그림 14와 같이 다이나모메터를 이용한 정격에서의 출력과 효율을 측정하였다. 부하시 출력의 측정을 위해서 출력값을 정확하게 고정하는 것은 어렵기 때문에, 토크를
200mNm로 고정하고 200W를 초과하는 지점까지 속도를 증가시켜 부하시험을 하였으며, 이때, 약 10,165rpm까지 증가된 속도에서 213W의
출력을 얻을 수 있었으며, 이때의 효율은 85%로 측정되었다.
그림 14. 블록코일모터의 출력측정장치
Fig. 14. Output Power Measurement Equipment of Block-coil Motor
이 효율값은 초정밀서보모터용으로 많이 사용되고있는 스위스 Maxon사의 EC motor 136212모터와 동등한 수준으로서, 제품의 데이터시트상의
최대효율은 87%로 기록되어있는데, 새로운 슬롯리스모터제작 기술인 블록코일 기술을 적용하여 기존의 양산제품과 유사한 정도의 성능을 얻을 수 있음을
그림 15와 같이 확인하였다.
그림 15. 블록코일모터의 출력 및 효율측정 결과
Fig. 15. Measured Output Power and Efficiency Value of of Block-coil Motor
3. 결 론
본 논문에서는 일반적으로 초정밀 서보모터를 위한 목적으로 매우 성능이 뛰어난 것으로 알려진 슬롯리스모터의 단점 중 하나인, 제조공정의 어려움과 높은
제작비용을 극복할 수 있는 블록코일방식 슬롯리스모터의 가능성을 시제품제작을 통해 평가하였고, 제작된 모터는 기존의 초정밀 서보용으로 많이 사용되는
양산모터와 동등한 수준의 특성을 보임을 확인하였다.
블록코일기술이라는 새로운 모터의 제조방법은 모터제조공정에서 공정시간이 가장 길고, 불량도 많이 발생하는 권선기를 이용한 권선공정을 제거하고, 미리
성형된 코일을 인서트사출하는 방식으로 만들어진 코일 블록을 조립하는 과정을 통해 모터의 고정자를 완성할 수 있는 기술로서, 제작된 모터는 슬롯리스모터가
된다.
슬롯리스모터의 경우 기존의 방식으로 제조하게 되면 권선을 감아줄 고정자코어의 슬롯과 치가 존재하지 않기 때문에, 고정자 권선을 일정한 형상으로 고정하여
몰딩하는 것이 매우 어렵고, 이 과정에서 공정시간이 길어지게 되어 결과적으로 공정비용을 상승시키며, 제품의 불량률을 증가시키는 원인이 되기도 한다.
본 논문에서 제안된 블록코일 기술은 이런 어려움들을 제거할 수 있는 새로운 모터제조를 위한 공정기술로서, 안정된 양산기술이 확립된다면, 모터의 제조비용을
낮출 수 있음과 동시에, 노동집약적인 기존의 모터권선공정을 자동화설비를 이용한 장치산업으로의 전환가능성을 높이는 데 일조할 것으로 기대해 볼 수 있다.
본 논문의 연구결과는 초정밀 서보를 위한 슬롯리스모터를 개발하고자 하는 엔지니어들에게 모터제작을 위해 새로운 공정을 활용할 수 있음을 참고할 수 있는
좋은 사례가 될 것으로 예상하며, 추가적인 연구방향으로서, 서보모터 외에 고속구동용 모터, Axial-gap모터 등 다양한 모터에 있어서 블록코일
기술을 적용한 시제품을 제작하여 블록코일 슬롯리스모터의 상용화 가능성에 대해 연구를 확대하고자 한다[8].
Acknowledgements
본 연구는 2021도 동양미래대학교의 학술연구지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
References
K. H. Ryu, T. H. Lee, J. W. Park, H. S. Kwon, and B. S. Kang, “A study on the mass
production performance evaluation of servomotors for manufacturing robots,” Journal
of Drive and Control, 19(4), 91-96, 2022.
Jeong-Jong Lee and Myung-Hwan Yoon, “Performance technology comparison for analysis
of servo motor technology trends for robots,” Journal of Electronic Engineering, 49(4),
43-48, 2022.
Young-Hun Kim, Chang-Sung Jin, Jaehyuck Kim, and Gyoung-choon Kim, “Study on the Slotless
BLDC Motor,” Proceedings of theThe Korean Institute of Electrical Engineers Conference,
pp. 613-614, 2017.
Sung-Hong Won, “Test of Prototype Motor Characteristics using Magnetic Filament of
3D Printer,” THE TRANSACTION OF THE KOREAN INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS P, 69P(3),
200-205, 2020. doi:10.5370/KIEEP.2020.69.3.200
Sung Hong Won and Ki-Soo Han, “A Study on the Instantaneous Characteristics Analysis
Method of PMSM using Slot Equivalent Circuit,” THE TRANSACTION OF THE KOREAN INSTITUTE
OF ELECTRICAL ENGINEERS P, 66P(1), 1-6, 2017.
Sunghong Won and Ju Lee, “Development of Slotless Motor using New Winding Structure,”
Proceedings of theThe Korean Institute of Electrical Engineers Conference, pp. 579-580,
2018.
Seung-Heon Lee, Sun-Hong Won, and Lee Ju, “Study on Characteristics of Slotless Motor
Using Assembly Block Coil,” Proceedings of theThe Korean Institute of Electrical Engineers
Conference, pp. 877-878, 2019.
Junho Kang, Chaewon Jo, Hyunwoo Kim, Donghoon Jung, Sunghong Won, and Ju Lee, “A Study
on the Design of Axial Type Small Wind Turbine with Block-type Slotless Coil Structure,”
Proceedings of theThe Korean Institute of Electrical Engineers Conference, pp. 1056-1057,
2023.
저자소개
1993. 2：한양대학교 전기공학과 졸업
1995. 2：한양대학교 전기공학과 석사
1995~2004 삼성전기 중앙연구소 CAE그룹
2007.2 한양대학교 전기공학과 박사
2007~2008 한양대학교 BK21연구교수
2009~현재 동양미래대학교 전기공학과 교수
Tel : 02-2610-5180
Fax : 02-2610-1854
E-mail : sagewide@dongyang.ac.kr