[논문]다자유도 구형 구동 모터의 와전류 손실 저감을 통한 효율 향상 연구

홍경표; 김용; 장익상; 이호준; 강동우; 원성홍; 이주

doi:10.5370/kiee.2012.61.1.050

문제 정의

본 논문에서는 와전류 손실의 특성식을 통한 와전류 손실의 경향을 예측하고 이를 저감하는 대책으로 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 고정자 철심 코어 재질을 일반적인 철심 재질인 SM45C에서 높은 저항율과 투자율을 가진 Somaloy 550로 대체하여 적층을 하기 어려운 구조의 구형의 형상인 고정자 철심에서의 와전류 손실의 저감을 통하여 효율 향상에 대한 연구를 진행 하였지만 제작성과 경제성의 단점이 있어 이를 해결 하고자 일반적인 철심재질인 SM45C를 사용하여 제작성과 경제성의 단점을 극복하는 동시에 철심에서의 와전류 손실 예방을 할 수 있는 새로운 구조적 형상의 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터를 현실적 대안으로 제시하여 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 고정자 철심 코어 재질 변화를 통한 효율 개선과 문제점을 서술하였으며 이런 문제점을 보완하기 위한 연구 방향으로 이중 공극형 회전자를 가진 새로운 다자유도 구동 구형 모터인 이중 공극형 다자유도 모터를 통하여 제작성을 고려한 효율 개선 연구를 수행하였다.
회전자의 회전운동에 의한 고정자 철심 코어 내에 시변하는 자속밀도 성분이 없다면 회전자 회전운동에 의해 발생하는 와전류 손실을 억제할 수 있기에 그림 2의 구조를 가진 내부 회전자와 최외각의 외부 회전자가 구조적으로 동기 속도로 회전하여 내부 회전자에 부착된 영구자석에 의하여 발생하는 자속이 외부회전자 코어 내에 쇄교할 때 내부 회전자와 외부 회전자가 동기되어 동기 속도로 회전하므로 이에 따른 와전류 손실을 예방할 수 있는 새로운 타입의 이중 공극형 다자유도 모터에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

와전류 손실의 특성식을 통하여 프레임형 다자유도 구동구형 모터의 와전류 손실의 경향을 분석하고 저감 대책으로 고정자 철심 코어 재질을 높은 저항율과 투자율을 가지는 Somaloy 550재질을 통한 와전류 손실 저감으로 효율 향상에 대한 검증을 3D FEM 해석을 통하여 시행 후 모터를 제작하여 시험을 통하여 검증하여 보았다.
이런 이유로 특성식을 통하여 다자유도 구동 구형 모터의 와전류 손실의 경향과 저감대책으로 고정자 재질을 저항율이 높은 재질을 사용하여 와전류 손실을 줄이는 방식과 구조적으로 철심 코어 내 시변하는 자속밀도를 억제하여 와전류 손실을 예방하는 방식을 와전류 손실의 저감 대책으로 선택하여 연구를 진행하였다.
고정자 철심 코어 재질을 Somaloy 550을 사용하여 와전류 손실을 저감하였지만 그림 13에서 보는 것과 같이 불균일한 고정자 두께와 약한 내강성으로 제작이 어렵다는 단점이 있다. 이런 제작상의 문제점과 와전류 손실을 최대한으로 억제할 수 있는 대안으로 그림 12의 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터를 제작하게 되었다.
그림 7은 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 고정자 재질을 SM45C와 Somaloy 550을 사용한 다자유도 구동 구형 모터와 SM45C재질을 철심 코어로 사용한 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터의 3D FEM해석 모델을 통하여 최대 속도 700[rpm]에서의 효율과 토크의 비교 그래프이다. 최대 속도를 700[rpm]으로 결정한 이유는 다자유도구동 구형 모터의 적용 대상이 로봇 관절용으로 사용되기 때문에 고속 운전을 하지 않아 최대 속도 700[rpm]으로 결정하였으며 700[rpm]에서의 3D FEM해석 데이터에 대한 비교 그래프를 도시하였다. 그래프를 보게 되면 SM45C재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델보다 투자율과 저항율이 높은 Somaloy 550재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델이 효율이 향상되었으며 특히 SM45C를 내부회전자와 외부회전자 철심재질로 사용한 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터는 내부 회전자와 외부 회전자가 스페리컬 베어링을 통하여 커플링 되어 동기 속도로 같이 회전하기에 내부 회전자의 회전운동에 의해 외부 회전자 철심 코어에 기본파 성분만으로는 시변하는 자속밀도를 발생시키지 못하여 와전류가 발생하지 않아 이에 따른 와전류 손실을 억제할 수 있어 효율이 프레임형 다자유도 구동 구형 모터보다 개선되었다.

성능/효과

시험을 통한 효율 측정값을 보게 되면 SM45C 재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델의 경우 낮은 저항율에 의해 고속으로 회전함에 따른 와전류에 의한 브레이킹 토크로 인하여 더 큰 전력을 소비하게 되어 효율이 급격하게 저하되는 현상을 시험을 통하여 확인할 수 있었다. Somaloy 550 재질을 사용한 모델의 경우 높은 저항율과 투자율에 의해 시험과 3D FEM 해석으로 측정한 효율이 큰 차이를 보이지 않았으며 약 1.1%의 차이를 보였다. 이 차이는 3D FEM해석에서의 출력은 공극에서의 출력으로 실제 시험 평가에서의 측정된 출력은 축에서의 출력이므로 3D FEM에서는 동손, 철손을 고려해 줄 수 있으나 기계손과 표류부하손을 고려할 수 없어 생기는 차이로 판단된다.
최대 속도를 700[rpm]으로 결정한 이유는 다자유도구동 구형 모터의 적용 대상이 로봇 관절용으로 사용되기 때문에 고속 운전을 하지 않아 최대 속도 700[rpm]으로 결정하였으며 700[rpm]에서의 3D FEM해석 데이터에 대한 비교 그래프를 도시하였다. 그래프를 보게 되면 SM45C재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델보다 투자율과 저항율이 높은 Somaloy 550재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델이 효율이 향상되었으며 특히 SM45C를 내부회전자와 외부회전자 철심재질로 사용한 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터는 내부 회전자와 외부 회전자가 스페리컬 베어링을 통하여 커플링 되어 동기 속도로 같이 회전하기에 내부 회전자의 회전운동에 의해 외부 회전자 철심 코어에 기본파 성분만으로는 시변하는 자속밀도를 발생시키지 못하여 와전류가 발생하지 않아 이에 따른 와전류 손실을 억제할 수 있어 효율이 프레임형 다자유도 구동 구형 모터보다 개선되었다. 고정자 철심 코어 내 시변 자속밀도의 발생을 억제함으로써 와전류 발생을 예방하게 되면 와전류에 의해 발생 되는 브레이킹 토크가 저감이 되어 공극에서의 평균 토크의 저감을 줄일 수 있어 브레이킹 토크에 의한 효율 저감을 예방할 수 있다.
그림 3과 그림 4는 SM45C재질과 저항율과 투자율이 높은 Somaloy 550 재질을 각각 고정자 철심 코어로 사용한 그림 1의 구조를 가진 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 고정자 철심 코어 내에서의 자속밀도의 시변을 보여주는 그래프이다. 그래프를 보게 되면 SM45C재질을 사용한 고정자 철심 코어 내에서의 자속밀도의 변화가 크다는 것을 알 수 있으며 이로 인하여 와전류 손실이 더 발생하는 것을 확인할 수 있다.
고정자 철심 코어 내 시변 자속밀도의 발생을 억제함으로써 와전류 발생을 예방하게 되면 와전류에 의해 발생 되는 브레이킹 토크가 저감이 되어 공극에서의 평균 토크의 저감을 줄일 수 있어 브레이킹 토크에 의한 효율 저감을 예방할 수 있다. 그림 7에서 공극에서의 각 모델의 평균 토크 값을 보면 고정자 철심 코어 내 와전류 발생이 줄어 이에 따른 브레이킹 토크가 줄어들어 프레임형 Somaloy 550모델이 프레임형 SM45C모델 보다 공극에서의 평균 토크 값이 크게 발생하는 것을 알 수 있으며 특히 SM45C 재질의 내부회전자와 외부회전자 철심 코어를 사용한 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터는 내부 회전자의 회전운동에 의한 외부 회전자 철심 코어 내에 와전류가 발생하지 않으므로 브레이킹 토크에 의한 공극에서의 평균 토크 저감을 최대한 억제할 수 있다. 이중공극형 다자유도 구형 모터의 이런 특성으로 인하여 철심 재질을 제작성과 가격이 높은 Somaloy 550을 사용하지 않고 일반적인 철심 재질인 SM45C를 사용해도 철심에서의 와전류 손실 저감을 통한 효율 향상을 이룰 수 있다.
표 1은 식 (2)의 특성식을 통하여 와전류 손실을 계산한 표이다. 높은 저항율과 투자율 그리고 고정자 철심 코어 내에서의 자속밀도의 시변 값이 작은 Somaloy 550재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델의 와전류 손실이 SM45C재질을 사용한 모델에 비하여 저감 되었다.
시험을 통한 효율 측정값을 보게 되면 SM45C 재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델의 경우 낮은 저항율에 의해 고속으로 회전함에 따른 와전류에 의한 브레이킹 토크로 인하여 더 큰 전력을 소비하게 되어 효율이 급격하게 저하되는 현상을 시험을 통하여 확인할 수 있었다. Somaloy 550 재질을 사용한 모델의 경우 높은 저항율과 투자율에 의해 시험과 3D FEM 해석으로 측정한 효율이 큰 차이를 보이지 않았으며 약 1.
이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터의 최외각 측인 외부회전자와 내부회전자가 스페리컬 베어링을 통하여 구조적으로 연결되어 동기속도로 같이 회전하게 되어 내부 회전자의 회전에 의해 발생한 기본파 자속이 외부 회전자 철심 코어 내에서 시변하지 않으므로 내부 회전자 운동에 의한 와전류 손실을 억제하는 구조적 특징이 있으며 철심 코어 내에 와전류의 발생이 최대한 억제됨에 따라 와전류에 의한 브레이킹 토크의 발생을 최대한 예방하여 공극에서의 평균 토크의 저감을 예방할 수 있으며 철심 코어에서의 와전류 손실을 최대한 줄였다. 이런 강점으로 3D FEM 해석을 통한 효율을 기존의 프레임형 다자유도 구동 구형 모터보다 향상 시킬 수 있었으며 구조가 간단해져서 많은 어플리케이션에 적용 가능하게 되었다.
프레임형 다자유도 구동 구형 모터와 달리 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터는 영구자석이 부착된 내부 회전자와 최외각에 위치한 외부 회전자가 구조적으로 연결되어 있어 동기속도로 같이 회전하게 되므로 내부회전자 회전운동에 의해 발생한 자속밀도는 외부 회전자 철심에서 시변하지 않기 때문에 구조적으로 내부회전자의 회전운동에 의한 외부 회전자 철심 코어 내에 와전류 손실을 최대한 예방할 수 있어 그림 7에서 보는 것과 같이 효율을 개선할 수 있었으며 제작성이 좋아졌다. 또한 기존 프레임 구조로 인한 실용성 문제를 스페리컬 베어링을 통하여 해결할 수 있어 실용화에 더욱 유리한 구조적 설계를 가지고 있다.
그림 10, 그림 11은 각각 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 고정자 재질을 SM45와 Somaloy 550을 사용한 모델의 3D FEM 해석을 통한 효율 측정값과 효율 시험을 통하여 검증한 효율 비교 그래프이다. 프레임형 다자유도 구동 구형 모터의 3D FEM 해석을 통한 효율 측정값을 보게 되면 높은 저항율과 투자율을 가진 Somaloy 550재질을 고정자 철심 코어로 사용한 모델의 효율이 SM45C재질을 사용한 모델에 비하여 개선되었다.

후속연구

다자유도 구동 구형 모터에서 효율은 중요한 성능 지표이므로 효율을 향상시키는 연구가 필요하게 된다. 효율을 향상시키는 방법의 하나가 와전류 손실 저감을 통하여 효율을 향상시키는 것이다.
현재 제어기 제작이 진행되고 있으며 향후 연구 계획으로 제어기가 제작된 후 이중 공극형 다자유도 구동 구형 모터의 성능 시험 평가를 진행할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다자유도구동 모터는 무슨 문제를 해결하기 위해 연구되고 있는가?	일반적인 기어나 벨트 등을 결합한 다자유도 시스템은 여러 개의 모터와 엑추에이터를 연결하기 위한 메커니즘을 구현하기 위해서 전체 시스템이 복잡해지고, 중량과 부피가 커지는 문제점이 있으며 백래시와 마찰, 링크자체의 탄성변형으로 인한 오차가 존재하기 때문에 이를 보정하기 위하여 제어시스템이 복잡해지는 단점이 있다.
	다자유도 구동 구형 모터의 구동 특성 떄문에 무엇이 가능한가?	다자유도 구동 구형 모터는 회전자가 회전 운동뿐 아니라 기울임 운동으로 정의되는 포지셔닝 운동이 병행되는 특수한 타입의 모터이다. 다자유도 구동 구형 모터의 구동 특성 때문에 자동화 기계와 같은 로봇 산업, 군사 탐지용 전차, 감시용 카메라에 적용이 가능하다. 특히 인간과 유사한 부드러운 동작이 요구되는 로봇 관절용에 적용 가능하다.
	로봇공학은 어떤 분야인가?	로봇공학은 가까운 미래에 폭발적인 성장이 예상되는 분야로서, 그 성장가능성이 거의 무한하다고 해도 무리가 없을 정도이며, 우리나라의 경제와 산업에 매우 큰 역할을 수행할 것으로 기대되는 분야이다.

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