결 론

현재 전동기의 철심 소재로는 전기강판이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이러한 전기강판은 전동기가 고속으로 회전할수록 와전류손실에 의한 철손이 증 가되어 전동기의 효율이 감소되는 문제점과 강판 구조 특성상 형상 자유도가 떨 어지기 때문에 코어 형상 변경에 있어서 소형, 경량화 하는데 한계를 가지고 있 다.

이에 따라 최근에는 전기강판을 대신에 전동기 철심 소재로써 복합 연자성 소 재의 적용이 대두되고 있다. 분말 야금공정에 의해 제조된 연자성 복합 분말 코 어는 균일한 3차원적 자성 특성, 복잡한 형상의 코어 제조 가능성, 중·고주파 영 역에서의 낮은 철손 등의 장점을 가지고 있다 그러나 전기강판과는 상이한 자기 적 특성과 손실특성을 가지고 있는 복합 연자성 소재를 전동기에 적용하기는 쉽 지 않다. 따라서 이러한 자기적 포화 특성과 손실 특성을 고려한 설계기법이 수 반되어야 한다.

이에 본 논문은 복합 연자성 소재의 응용 기술 확대를 위해 진공청소기용 고 속 영구자석 전동기의 철심재료로 복합 연자성 소재를 적용하고 전기강판 적용 모델과의 특성 비교를 위해 수치해석 기반 유한요소법을 이용한 3차원 설계 및 해석을 진행하였다. 설계 과정은 크게 장하분배법과 출력계수법을 이용한 기초 설계와 손실저감을 위한 최종 설계로 구분하였다. 또한 정확한 파라미터 계산을 위해 자기등가회로를 이용하였다.

복합 연자성 소재의 자기적 특성 분석을 위해 시편 제작, 자기적 특성을 평가 하기 위한 시스템의 구성 및 특성 분석 결과를 제시하여 전동기의 운전 특성에 따른 손실 및 전자기적 특성을 고려한 설계를 수행하였다.

현재까지 개발된 복합 연자성 소재의 자기적 특성은 전기강판의 자기적 특성 에 비해 낮은 편이다. 이러한 특성을 가진 복합 연자성 소재를 전동기에 적용하 면 설계 목적에 만족하는 전동기를 설계할 수 없다.

따라서, 본 논문에서는 복합 연자성 소재를 고속 영구자석 전동기에 적용하기 위해서 자기적 특성과 손실 특성을 세부적으로 분석하고, 자기적 관점과 손실 관 점에서 서로 중첩되는 설계 포인트를 찾아 효과적인 최적의 설계법을 제시하였

다.

그 결과, 전동기의 철손을 효과적으로 저감할 수 있는 전동기의 최적의 3-D 형상을 제안할 수 있었다. 그러나 전기강판에 비해 낮은 자기적 특성으로 인해 상대적으로 동손 및 전류밀도가 증가하였다. 따라서, 초기 설계된 전기장하의 재 설계를 통해 동손 및 전류밀도 저감 설계를 수행하였다. 그 결과, 전기강판을 적 용한 모델과 비교하여 효율이 상승함을 확인하였고, Stator 코어 중량이 저감되 는 것을 확인하였다.

마지막으로 설계 및 해석 결과 검증을 위해 전기강판 적용 모델과 복합 연자 성 소재 적용 모델의 제작을 통해 실험치와 비교 분석함으로써 복합 연자성 소 재를 이용한 진공청소기용 고속 전동기의 타당성을 검증하였다.

본 연구를 토대로 얻어진 결과를 아래와 같이 간략히 요약하였다.

1. 장하분배법과 출력계수법을 이용한 기초 모델 설계

복합 연자성 소재 적용 전동기의 설계에 앞서 비교대상인 전기강판 적용 모 델의 기초설계를 진행하였다. 먼저 영구자석 전동기의 역기전력과 토크관계를 분석하고 일반적으로 전동기 설계 시 많이 사용되는 장하분배법과 출력계수법 을 이용하여 전동기의 세부치수를 설계하였다. 또한 정확한 파라미터 계산을 위해 자기등가회로법을 이용하였다. 그 결과, 수치해석 기반 비선형 3차원 유 한요소법을 이용한 전자계 해석 시뮬레이션을 통해 선정한 목표사양에 만족함 을 확인하였다.

2. 복합 연자성 소재의 B-H 특성 분석

전기강판에 비해 자기적 특성이 낮은 복합 연자성 재료를 이용하여 전동기를 설계 할 경우에는 이를 설계 단계에서 어떻게 고려할 것인가가 매우 중요하다.

따라서 설계에 앞선 자기적 특성 분석이 매우 중요하며 이에 따라 설계포인 트가 결정되게 된다. 8000[A/m]의 자계에서 전기강판의 최대 자속밀도는 1.7[T]로 측정되었고, 복합 연자성 소재의 최대 자속밀도는 1.45[T]로 측정되어 최대 자속밀도는 복합 연자성 소재가 전기강판 보다 상대적으로 낮게 측정되 었다.

위와 같이 코어 재질의 투자율 및 포화 자속밀도가 낮게 되면 공극내 자속밀 도가 낮아지면서 코일에 쇄교하는 자속이 줄어 전동기의 역기전력이 낮아지게 된다. 이는 결국 출력에도 영향을 미치게 되고 목표 출력을 만족하지 못하게

된다. 따라서 동일 출력을 만족하기 위해서는 입력전류의 상승이 불가피하게 되고 효율 측면에서도 불리하게 된다. 또한 입력전류 상승으로 인해 전류밀도 가 상승하여 전동기 열적 문제도 야기하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하 기 위해서는 턴 수 및 전류, 즉 최적의 전기장하 설계가 필요함을 확인하였다.

3. 복합 연자성 소재의 철손 특성 분석

복합 연자성 소재의 철손 특성은 600[Hz]까지 전기강판에 비해 높게 발생하 였다. 하지만 800[Hz]에서는 0.8[T] 이상부터 전기강판이 복합 연자성 소재보 다 높게 발생함을 확인 할 수 있었다. 또한 1000[Hz]에서는 0.6[T] 이상부터 전기강판이 복합 연자성 소재보다 높게 발생함 확인 할 수 있었다. 이 결과로 복합 연자성 소재가 고주파수에서 철손 특성이 전기강판에 비해 우수함 알 수 있었다.

한편, 본 논문에서 설계된 전동기의 구동 주파수는 833.33[Hz]이다. 따라서 800[Hz]에서의 특성을 이용하여 철손 저감 설계포인트를 도출하였다. 800[Hz]

에서는 0.8[T] 이상부터 복합 연자성 소재가 철손 특성이 낮으므로 전동기 코 어에서도 자속밀도가 0.8[T] 이상 발생되는 영역을 집중적으로 설계하였다.

4. 복합 연자성 코어 상세 설계 및 특성 해석

복합 연자성 재료의 철손 특성에서 자속밀도가 0.8[T] 이상일 때 철손이 전기 강판보다 감소되는 것을 확인하였다. 따라서 철손 저감 효과의 극대화를 위해 서 자속밀도가 0.8[T] 이상인 영역을 설계하여야 하며, 전기강판 기초 모델의 전자계 해석 결과에서 자속밀도가 0.8[T] 이상인 영역은 Shoe와 Teeth임을 확 인하였다.

또한 상대적으로 낮은 투자율 및 포화 자속밀도로 인해 전기장하의 재설계가 필요함을 확인하였다. 따라서, 이 두 가지 설계포인트를 만족시키기 위한 영역 이 권선이 직접 감기는 영역인 Teeth 임을 확인하였고, 이 영역의 상세 형상 설계를 진행하였다. 복합 연자성 재료의 3차원 성형 가능의 장점을 이용하여 Teeth 높이 조절에 의한 설계를 진행하였다. 그 결과, 전동기의 철손을 효과적 으로 저감할 수 있는 전동기의 최적의 3-D 형상을 제안할 수 있었다. 하지만 전기강판에 비해 낮은 자기적 특성으로 인해 상대적으로 동손 및 전류밀도가 증가하는 결과를 보였다. 따라서, 초기 설계된 전기장하의 재설계를 통해 동손 및 전류밀도 저감 설계를 수행하였다. 그 결과, 전기강판을 적용한 모델과 비

교하여 효율이 1.15[%] 상승함을 확인하였고, Stator 코어 중량은 전기강판 모 델 대비 9.43[%] 저감되는 것을 확인하였다.

상기의 본 연구 결과를 바탕으로 복합 연자성 소재가 적용된 진공청소기용 고 속 영구자석 전동기의 개발이 충분히 가능함을 확인하였으며, 가전 분야 이외에 도 유사한 특성을 가지는 전동기에 적용가능하리라 사료된다. 또한 본 연구 결과 는 전기강판이 아닌 다른 소재를 전동기에 적용 시 설계 및 해석 기준자료로 활 용 가능할 것으로 기대된다.

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