원통형 착자

Segment 착자와는 다르게 Nd-bonded는 원통형 착자 방식을 사용한다.

Nd-bonded의 영구자석 제작기법에 따라 원재료 Block을 가공하는 방식이 아닌 금형을 이용한다. 이론상 Segment로도 구성할 수 있으나 원통형으로만 제작되고 있다. 원통형 영구자석을 그림 3-41에 나타낸다. 그림과 같이 영구자석의 N극 과 S극을 하나의 원통형 자석에 나타내야 하므로 전용 착자 장비가 필요하다.

착자시에는 회전자 요크와 영구자석을 결합한 후 착자가 진행된다. 진행 과정은 Segment 착자 대비 단순하나 원통형 착자는 초기비용이 높기 때문에 양산과정 에서 주로 채택하는 방법이다.

동축 마그네틱 기어의 설계와 시작품 간의 오차를 줄이기 위해 실제 Nd-bonded 착자기를 FEA 상에 구현하였으며 착자된 영구자석을 최종모델에 적용하였다. 원통형 착자는 보통 영구자석의 외경면에 착자기를 구성하여 진행하 는데 이는 대부분의 전기기기 회전자가 안쪽에 위치하는 내전형이기 때문이다.

동축 마그네틱 기어의 경우 내측 회전자는 안쪽에 위치하지만, 외측 회전자는 바 깥에 위치하기 때문에 착자 방법에 대해서도 검토할 필요가 있다. 따라서 외측 회전자 영구자석에 대해 내경면 착자와 외경면 착자를 진행하여 FEA에서 제공 되는 자속의 흐름과 비교하였다.

(a) Cylinder Type Magnet

(b) Nd-bonded Magnetizer 그림 3-41. 원통형 착자 Fig. 3-41. Cylinder Magnetization

가. 외경면 착자

그림 3-42는 영구자석의 외경 면에 착자를 진행하고 이를 적용한 자속의 흐 름을 나타낸다. FEA 제공값과 비교했을 때 자속의 흐름이 외경면은 유사하게 나타나지만 내경면은 지나치지 못하고 영구자석 내부에 머무름을 알 수 있다.

(a) Outside Magnetization

(b) Flux Line using Outside Magnetization 그림 3-42. 외경면 착자 및 자속 선도 Fig. 3-42. Outside Magnetization and Flux Line

나. 내경면 착자

그림 3-43과 같이 영구자석의 구경 면에 착자하는 경우 또 다른 특성을 나타 낸다. 자속의 흐름이 내경면은 투과하는 모습을 보이는 반면 외경면은 철심이 있 음에도 영구자석 내부에만 머무름을 알 수 있다.

(a) Inside Magnetization

(b) Flux Line using Inside Magnetization 그림 3-43. 내경면 착자 및 자속 선도 Fig. 3-43. Inside Magnetization and Flux Line

다. 착자 방법에 따른 비교

이러한 특징을 바탕으로 토크 및 효율 특성을 분석한 결과를 표 3-11에 나타 낸다. 분석 결과 외경 면에 착자한 모델의 경우 기어 구동을 위한 전달 토크가 전혀 나타나지 않았다. 이는 자속이 구경 면을 투과하여 내측 회전자에 쇄교해야 기어의 특성을 나타내는데 외경면 착자의 경우 그렇지 못함에 따른 결과이다. 반 면 내경면 착자의 경우 FEA의 값보다 토크 및 외측 요크 철손에서 개선을 나타 내었다. 이는 자속이 외경면을 투과하지 못하고 내경면 쪽으로만 투과하기 때문 이며 이에 따라 외측 요크의 철손은 감소한 반면 토크는 상승하는 결과를 나타 낸다. 또한, 손실 감소 및 출력 증가에 따른 효율 향상의 결과도 나타낸다. 본 논문에서는 분석데이터를 기반으로 시작품 제작 시 외측 회전자에 대해서는 내 경면 착자를 진행했으며 내측 회전자에 대해서는 외경면 착자를 진행했다.

표 3-11. 착자 방법에 따른 동축 마그네틱 기어 특성

Table 3-11. Characteristics of Coaxial Magnetic Gear according to Magnetization Method

Item Unit FEA magnet data

Outside magnetization

Inside magnetization

Outer Torque Nm 1.33Nm 0 1.57Nm

Iron Loss of

Outer Yoke W 199W - 151W

Iron Loss of

Pole-piece W 125W - 135W

Efficiency % 86.7% - 90.1%

라. 최종모델

FEA 설계결과 도출된 Nd-bonded 모델과 제안된 폴피스 구조 및 실제 착자 방식을 적용한 최종모델의 제원을 표 3-12에, 구동특성을 표 3-13에 나타낸다.

결과를 통해 최종 모델의 효율이 FEA 초기 설계된 모델의 효율인 93.8% 대비 3.7%p 효율이 감소했음을 알 수 있다. 이는 앞선 폴피스 서포터를 적용하기 위 해 회전자 사이즈가 확장됐기 때문이며 그림 3-14(a)의 효율 특성에 기반하여 효율이 감소함을 알 수 있다.

표 3-12. Nd-bonded 최종모델 제원 Table 3-12. Final Model Data of Nd-bonded

Parameter Data

(1) IY: Inner Yoke P1 19.5mm

(2) IM: Inner Magnet P2-P1 2.5mm

(3) IG: Inner Air Gap P₃-P₂ 1.0mm

(4) PP: Pole-piece P₄-P₃ 4mm

(5) OG: Outer Air Gap P₅-P₄ 0.5mm

(6) OM: Outer Magnet P6-P5 7mm

(7) OY: Outer Yoke P7-P6 5.5mm

Stack Length Z-axis length 45mm

표 3-13. Nd-bonded 최종모델 구동특성 Table 3-13. Final Model Characteristics

Unit Value

Inner Torque Nm 0.20

Outer Torque Nm 1.57

Inner Ripple % 4.1

Outer Ripple % 0.12

Iron loss W 286

Efficiency % 90.1