[논문]고속 모터용 연자체의 밀도와 자기적 특성에 대한 연구

차현록; 윤철호; 정태욱

[국내논문] 고속 모터용 연자체의 밀도와 자기적 특성에 대한 연구
A density and magnetic characteries of the soft magnetic composite core for high speed motor 원문보기

차현록 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀) , 윤철호 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀) , 정태욱 (한국 생산기술연구원 부품 소재팀)

본 논문은 기존의 전기강판 재질을 이용한 모터가 아닌 SMC 재질을 이용한 모터 성형 시 발생 될 수 있는 문제점이 모터의 자기적 특성에 미치는 영향에 대해 분석 하였다. 기존의 전기 강판 재질 모터에서 밀도는 전 영역에서 고른 분포를 갖는 반면에, SMC를 이용한 모터는 위치와 형상에 따라 다른 밀도와 응력 분포를 지닌다. 따라서 본 논문에서는 이러한 SMC 재질을 이용한 모터의 특성이 전기적 에너지 변환 과정에 미치는 영향에 대해서 분석 하기위해, 고속모터(30000rpm)급 모터에서 silicon steel 재질 모터와 SMC 재질모터를 비교 하였다. 비교결과 SMC 재질 모터의 경우 밀도 편차가 5.8%이상 발생되었으며 이는 전기적 특성에 10%이상 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 고속모터의 경우 자속 포화가 심해 일정하게 높은 밑도 특성이 요구 되는 것으로 파악 되었으며, 향후 이 방법은 SMC 재질을 이용한 모터 설계에 유용하게 이용 될 수 있을 것으로 판단된다.

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문제 정의

본 논문에서는 SMC재질을 이용한 모터 설계의 새로운 설계 기준에 대해서 제안 하였다. 기존의 SMC 재질을 이용한 모터 설계는 전기강판과 같이 모든 부위에 대해서 일정한 밀도를 갖고 이에 맞는 B-H곡선을 갖는다는 가정하여 설계되어 왔다.
지금까지 SMC 재질을 이용한 모터 설계방법은 이러한 밀도 분포 특성을 고려하지 않고 설계를 하는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 이러한 SMC 재질의 밀도 분포 특성이 고려된 특성 해석 기법을 제안하였다. 이러한 방법을 사용함으로써 좀 더 정밀한 해석을 수행 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 이러한 모터 설계 시 설계기준이 될 수 있으리라 사료 된다.

가설 설정

제안 하였다. 기존의 SMC 재질을 이용한 모터 설계는 전기강판과 같이 모든 부위에 대해서 일정한 밀도를 갖고 이에 맞는 B-H곡선을 갖는다는 가정하여 설계되어 왔다. 그러나 본 논문에서 제안된 실제 SMC 재질의 특성에 기인한 밀도 분포 특성을 고려한 모터 설계 방법이 기존 설계 방법과 비교 시, 모터 특성 면에서 큰 차이를 가지는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

이때 압분 조건은 117Ton의 압력으로 압분 하였으며, 스프링 백을 고려하여 2 Sec 정도 유지한 후 제품을 취출 하였다. 또한 밀도의 측정을 위해서 각 부위를 분해하여 부위별로 밀도를 측정하는 방법을 취하였다.
본 논문에서는 밀도가 갖는 연속적인 밀도 분포 특성 때문에, 전체적인 밀도 분포 특성을 고려하지 않고 5개 구간으로 빌도 분포를 간략화 하여 계산하였다. 또한 앞에서 구해진 3가지밀도(6.8, 7.2, 7.4 g/cir3)의 B-H 곡선을 Spline 보 간에 의해서 중간값 들을 취하는 방시으로, 각각의 밀도에 따른 B-H특성 측정 없이 각 부분의 밀도에 따른 B-H 특성을 유추하여 적용 하였다.
표4는 분석에 사용된 전동기의 사양과 규격을 나타내었다. 본 논문에서는 밀도가 갖는 연속적인 밀도 분포 특성 때문에, 전체적인 밀도 분포 특성을 고려하지 않고 5개 구간으로 빌도 분포를 간략화 하여 계산하였다. 또한 앞에서 구해진 3가지밀도(6.
특성비교를 위해서 FEM을 이용한 전자장 해석을 통해서 특성차이를 비교평가 하는 방법을 취하였다.

대상 데이터

분석예 사용된 전동기는 정격30000rm이상의 경주 자동차용 고속모터이다. 표4는 분석에 사용된 전동기의 사양과 규격을 나타내었다.

성능/효과

실지료 최대 44%까지 편차가 나는데, 이러한 큰 차이는 밀도 분포 특성 고려 시 가정했던 5개 부분으로 밀도가 집중되었다고 가정한 것과, 3가지 밀도로부터 측정했던 B-H곡선으로부터 보간법을 이용하여 나머지 부분들에 대해 실측하지 않고 간접적으로 유추하여 적용한데서 기인한 것으로 판단된다. 그러나 본 논문에서 제안된 방법으로 해석 시, 서로 간에 큰 차이를 갖는 것을 알 수 있었다. 특히 전체적으로 출력이 저감될 뿐만 아니라, 입력 값 또한 동시에 낮아짐을 알 수 있었다.
기존의 SMC 재질을 이용한 모터 설계는 전기강판과 같이 모든 부위에 대해서 일정한 밀도를 갖고 이에 맞는 B-H곡선을 갖는다는 가정하여 설계되어 왔다. 그러나 본 논문에서 제안된 실제 SMC 재질의 특성에 기인한 밀도 분포 특성을 고려한 모터 설계 방법이 기존 설계 방법과 비교 시, 모터 특성 면에서 큰 차이를 가지는 것을 알 수 있었다. 이러한 차이는 향후 실측을 통한 검증이 추가로 예상되기는 하나 좀 더 높은 기존 대비 좀 더 높은 해석 정밀도를 가질 것으로 판단된다, 아울러 향후 SMC를 이용한 정밀한 설계의 기준으로 사료 될 것으로 판단된다.
28e-03Wb/m 인 것을 알 수 있었다. 또한 기존의 균일 자속 밀도에서 볼 수 없었던 새로운 누설경로들이 나타남을 발견하였다. 향후 이와 같은 누설 경로들에 대한 새로운 대책을 세운다면 SMC 재질코어를 이용한 모터설계에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
자기적 성잘(B-H)을 비교한 그림이다. 실험결과 분말의 밀도에 따라서 B-H특성은 많은 차이가 있었다, 전계강도가 낮은 부분에서는 자속의 발생이 거의 유사하게 나타나다가, 전계강도가 점점 높아짐에 따라 Core의 밀도가 낮아질수록 자속 밀도가 상대적으로 급격히 적게 형성되는 것을 알 수 있었다. 따라서 출력이 크거나 높은 코어 자속 밀도를 갖는 전기기기에서는 이러한 밀도에 따른 특성이 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
그러나 본 논문에서 제안된 방법으로 해석 시, 서로 간에 큰 차이를 갖는 것을 알 수 있었다. 특히 전체적으로 출력이 저감될 뿐만 아니라, 입력 값 또한 동시에 낮아짐을 알 수 있었다. 이것은 전체적으로 재료의 특성이 저하 된다는 점을 감안하여 볼 때 효율이 전체적으로 감소되는 것은 자로의 형성이 어려운 점에 기인 된 것으로 유추할 수 있다.

후속연구

이러한 차이는 향후 실측을 통한 검증이 추가로 예상되기는 하나 좀 더 높은 기존 대비 좀 더 높은 해석 정밀도를 가질 것으로 판단된다, 아울러 향후 SMC를 이용한 정밀한 설계의 기준으로 사료 될 것으로 판단된다. 본 논문에서 밝혀진 대로 출력이 30%이상 차이를 갖는다면 기존의 설계 방법으로는 우리가 향후 설계하고자 하는 모터의 설계를 만족시기 위한 정확한 설계가 불가능할 것으로 판단되고, 본 논문에서 주장한 밀도 분포를 고려한 설계를 실시하여야 목표치를 만족하는 설계가 가능할 것으로 판단된다.
본 논문에서는 이러한 SMC 재질의 밀도 분포 특성이 고려된 특성 해석 기법을 제안하였다. 이러한 방법을 사용함으로써 좀 더 정밀한 해석을 수행 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 이러한 모터 설계 시 설계기준이 될 수 있으리라 사료 된다.
그러나 본 논문에서 제안된 실제 SMC 재질의 특성에 기인한 밀도 분포 특성을 고려한 모터 설계 방법이 기존 설계 방법과 비교 시, 모터 특성 면에서 큰 차이를 가지는 것을 알 수 있었다. 이러한 차이는 향후 실측을 통한 검증이 추가로 예상되기는 하나 좀 더 높은 기존 대비 좀 더 높은 해석 정밀도를 가질 것으로 판단된다, 아울러 향후 SMC를 이용한 정밀한 설계의 기준으로 사료 될 것으로 판단된다. 본 논문에서 밝혀진 대로 출력이 30%이상 차이를 갖는다면 기존의 설계 방법으로는 우리가 향후 설계하고자 하는 모터의 설계를 만족시기 위한 정확한 설계가 불가능할 것으로 판단되고, 본 논문에서 주장한 밀도 분포를 고려한 설계를 실시하여야 목표치를 만족하는 설계가 가능할 것으로 판단된다.
또한 기존의 균일 자속 밀도에서 볼 수 없었던 새로운 누설경로들이 나타남을 발견하였다. 향후 이와 같은 누설 경로들에 대한 새로운 대책을 세운다면 SMC 재질코어를 이용한 모터설계에 큰 도움이 될 것으로 판단된다.

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