PM 로터와 착자
모터 구조는 크게 스테이터와 로터로 구성되며, 여기서는 스테이터와 로터의 조립 전 공정에 대해 다룬다.
EV/HEV 자동차용 PM 로터에 들어가는 네오디뮴 자석은 극수와 형태에 따라 수십 개 이상이 들어가며, 조립이 완료될 때까지 자성이 없는 상태이다.
조립을 완료 후 자화를 하여 자성을 띠게 하는데, 여기에 필요한 장치가 요크(철심)와 착자기이다.
이 때 필요한 전압과 전류는 수 kV, 수 kA로 매우 높은 전력을 필요로 한다.
위 공정으로 자석은 자성을 띠게 되며, 스테이터와 조립 후 회전을 하게 되면 발전기 또는 모터 역할을 하게 되는 것이다.
자속밀도 파형 검사
스테이터와 조립 전, 로터 상태에서 검사를 하게 되는데, 검사 공정 중 자석 성능에 대해서는 자속 밀도, 자속량 등이 있다. 역기전력은 스테이터와 조립 후 측정한다.
그 중 자속 밀도 검사 방법은 로터를 회전시키고 홀 센서를 통해 360°에 대한 자속 밀도, 자속량, 극성, 극 수, 극 각도, 위상차, 치우침, 파형 모양 등을 알아내고 기준값과 비교하여 판정하는 것이다.
이상적인 검사결과는 치우침 없이 각 극의 최대값과 각도가 일정해야 하지만 실제 제품의 측정 값은 조금씩 틀어지게 된다.
여기서는 자속에 불균형이 생기는 여러 원인 중 요크에 대해 알아본다.
요크 재질 문제
변압기와 같이 요크는 얇은 규소 강판을 쌓아서 만드는 것이 정석이다. 원가절감 목적으로 규소강이 아닌 탄소강으로 만들거나, 적층 방식이 아니라 솔리드로 만들기도 한다.
요크(철심)의 열이 올라갈 수록 자기 포화로 인하여 로터에 도달하는 자속 밀도가 낮아진다.
규소강을 적층 방식으로 만들어야 와전류가 줄어들며 발열이 낮아진다. 또한 탄소강에 비해 낮은 전압·전류로도 포화 착자가 가능해진다.
| 규소강 | 탄소강 | |
|---|---|---|
| 재질 | Fe + Si(실리콘) | Fe + C(탄소) |
| 전기 저항 | 크다. | 작다. 와전류가 심하게 흐른다. |
| 자기 저항 | 매우 작다. | 크다. |
| 투자율(철심 자속) | 크다. | 작다. |
| 유도 전류(와전류) | 거의 없다. | 높다. 와전류가 고열을 발생시킨다. |
| 발열 | 거의 없다. | 높다. |
| 열전도율 | 낮다. | 높다. |
| 표면 코팅 | 있다. | 없다. |
| 적층 제작 시 | 절연된 형태를 유지한다. | 솔리드가 된다. |
| 가격 | 높다. | 낮다. |
위와 같이 탄소강은 규소강에 비해 여러가지로 나쁘며, 좋은 점은 단가 뿐이다.
규소강을 사용하지 못하는 상황이라면 저탄소강(S10C, S20C)을 사용해야 한다. 순철(DT4)은 투자율이 매우 높고 와전류가 작기 때문에 적층이 아닌 솔리드 형태로 만들어도 되지만 가격이 비싸고 규소강보다 효율이 낮으므로 작은 전자부품으로 쓰인다.
단, 규소강을 사용할 때에는 무방향성을 사용해야 한다. 원형의 중심으로 자속이 향하므로 방향성 규소강을 사용하면 철심 방향에 따른 자속 밀도 차이가 발생한다.
요크 냉각 문제
요크의 냉각 방식은 주로 수랭(水冷)식을 사용한다. 문제는 내부 구조에서 생긴다.
물이 들어가는 곳은 차갑기 때문에 냉각이 매우 잘되며, 물이 나가는 곳은 이미 뜨거워졌기 때문에 냉각이 잘 되지 않는다.
일부 제조사는 ➿하나의 길다란 파이프만 사용해서 물이 이동하도록 만든다. 제작 비용이 낮고 공정이 단순하기 때문이다. 이렇게 만들면 파이프 이동 경로에 따라 물의 온도가 점점 누적될 수 밖에 없다.
사이클 타임은 수 십초 이상인데?
검사 시간 때문에 C/T가 넉넉한 편이라 냉각이 잘 될거라 오해하기 쉽다. 탄소강은 열전도율이 높지만 발열이 심하고, 규소강은 발열이 약하지만 열전도율이 낮다. 방전 순간의 발열로 인하여 철심 자속이 달라질 수 있다.
즉, 착자 전 요크 온도가 중요한 것이 아니라 착자 순간의 온도가 중요한 것이다.
제일 좋은 설계는 위아래 한 면의 360도 전방향에서 차가운 물을 동시에 공급하고, 뜨거워진 물을 다른 면으로 동시에 빼내는 것이다. 요크 높이에 따라 공급과 배출을 늘리면 된다.
예) 밑에서 공급하고 위에서 빼내는 방식 또는 그 반대, 가운데서 공급하고 위아래로 빼내는 방식 또는 그 반대.
자속 불균형인 로터가 회전하면
로터 생산 공정에는 밸런스 교정이 있다. 무게 중심을 맞추는 것이다. 그러나 이것은 기계적인 중심을 맞출 뿐이다.
로터에 자속 불균형이 생기면 고속으로 회전 할수록 베어링과 축에 부하가 증가한다.
전기차는 회생 제동을 자주 사용한다. 모터를 발전기로 사용하여 역기전력을 사용하는 것인데, 자속이 불균형하면 고조파가 생기며 효율이 떨어지고 열이 발생하게 된다.
심각하면 진동과 노이즈로 인하여 제어 계통에 문제가 생길 수 있다.
문제점이 무시되는 이유
- 요크는 소모품이다.➡️망가지면 다시 만들면 된다.
- 제조 기준이 없는 주문 수제작품이다.➡️품질 관리가 없다.
- 원가를 절감해야 한다.➡️품질 보증이 없다.
- 수명이 짧을수록 수익이 많이 발생한다.➡️보증 기간만 버티면 된다.
