2.1 기본 전기강판 모델

본 논문에서 다루는 축방향 자속형 영구자석 전동기는 5인승 UAM을 대상으로하며, 저속·고토크 운전 특성을 만족하도록 설계되었다. 성능 향상을 위해 회전자 오버행 구조를 적용하여 회전자 자속을 증가시킴으로써 모터 토크를 향상시켰으며, 손실 저감을 위해 자석 분할 형상을 적용하였다. 해당 모델의 형상은 그림 1에, 주요 제원은 표 1에 나타내었다.

이방성 재료인 적층 전기강판은 구조적 특성상 복잡한 3차원 형상 구현에 한계가 있다. 따라서 본 모델의 고정자 치에는 별도의 치-팁 확장 구조가 적용되지 않았다.

그림 1. 축방향 자속 모터 전기강판 모델

Fig. 1. Axial flux motor electrical steel model

2.2 SMC 기반 치-팁 확장 구조 설계

SMC는 전기강판에 비해 낮은 자기 포화 밀도 및 높은 철손 특성을 갖지만, 등방성 특성의 분말형 재료로 적층 구조가 필요하지 않아 전기강판에 비해 3차원 형상 구현이 용이하다.

이에 따라 그림 2와 같이 기존 전기강판 모델과는 달리 고정자 치-팁을 전·후방으로 확장한 구조로 설계하였다. 해당 구조는 그림 3 단면도에서 자세히 나타내었다. 치-팁은 회전자에서 발생하여 고정자로 유입되는 자속을 원활히 수용하는 역할을 한다. 따라서 오버행 구조가 적용된 회전자에서 발생하는 자속을 기존 전기강판 모델보다 확장된 SMC 치-팁 구조가 보다 넓은 면적에서 수용하고, 효율적으로 집중시킴으로써 자속 쇄교를 증가시킨다.

그림 2. 전기강판 및 SMC 모델 고정자 치 형상 (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델.

Fig. 2. Stator tooth geometries of the electrical steel and SMC models. (a) Electrical steel model. (b) SMC model.

그림 3. 전기강판 및 SMC 모델 모터 단면도 (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델.

Fig. 3. Cross-sectional views of the electrical steel and SMC models. (a) Electrical steel model. (b) SMC model.

또한 확장된 치-팁은 자속 경로를 안정화하고 누설 자속을 감소시키는 효과가 있어 회전자 오버행 구조의 이점을 극대화하며 모터의 토크 특성 향상에 기여한다.

2.3 전기강판 심 삽입 복합 구조 설계

SMC 기반 고정자 치 구조는 형상 자유도를 활용하여 회전자 오버행 구조의 효과를 극대화할 수 있으나, SMC 재질의 낮은 자기 포화 밀도와 높은 철손 특성으로 인해 여전히 전기강판에 비해 토크 특성 및 효율이 저하되는 한계가 존재한다. 이를 보완하기 위해 그림 4와 같이 SMC 기반 고정자 치 자속 경로에 전기강판 심을 삽입한 복합 코어 구조를 설계하였으며, 철심의 형상은 제작성을 고려하여 직육면체 형태로 구현하였다.

이러한 구조는 SMC의 형상 자유도 기반 치-팁 확장 구조와 전기강판의 우수한 자기적 특성을 동시에 확보함으로써, 자속이 전기강판 심을 따라 집중되어 기존 SMC 고정자 치 구조보다 축방향으로 보다 원활히 흐르게 하여 전자기 성능을 극대화한다.

그림 4. 복합 코어 제작 순서도

Fig. 4. Mixed Core Design Process

2.4 방향성 전기강판 심 적용 설계

방향성 전기강판(GO)은 전기적 이방성을 가지므로, 투자율과 철손이 자속 방향에 따라 크게 달라진다. SMC, 무방향성 강판(NO), GO의 자속 밀도-자계의 특성 곡선을 나타낸 그림 6에서 확인할 수 있듯이, GO-Easy(압연방향)는 NO보다 더 쉽게 자화되며 더 높은 포화점과 더 낮은 철손을 보인다. 반면 GO-Hard(압연 방향에 수직)는 자화가 어렵고 더 높은 철손을 가진다. 따라서 자속의 방향을 합리적으로 고려 후 GO 적용 시 전동기에 토크 성능을 향상시키고 철손을 저감할 수 있다.

이러한 특성 때문에 일반적으로 AFPM 전동기에 적용하여 GO의 장점을 직접적으로 부각시키기에는 어려움이 존재하지만, 본 논문에서는 형상과 자속 방향이 일정함과 동시에 자속이 집중되는 전기강판 심 구조에 GO를 적용하여 토크 및 철손 특성을 개선하고, 결과적으로 전체 전동기 효율을 향상시켜 최종적으로 고성능을 목표로 한 전동기를 제안하였다. 본 논문에서 성능을 비교할 네 가지 모델은 그림 5에 나타내었다.

그림 5. 네 가지 모델 형상. (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델. (c) 복합 코어(NO) 모델. (d) 복합 코어(GO) 모델.

Fig. 5. Geometries of the Four Models (a) Electrical steel model. (b) SMC model. (c) Mixed core(NO) model. (d) Mixed core (GO) model.

그림 6. 재질별 B-H 특성 곡선 비교

Fig. 6. Comparison of the B–H curves of materials

3.1 고정자 치-팁 확장 구조 적용에 따른 자속 벡터 분포

그림 7은 오버행 구조 자석과 고정자 치 구조(전기강판 모델, SMC 모델)에서의 자속 벡터 분포를 비교한 결과이다. 전기강판 모델에서는 오버행 자석에서 발생한 자속 일부가 공극으로 누설되어 고정자 치로 충분히 전달되지 않는다. 반면, SMC 모델은 치-팁 확장 구조를 통해 오버행 자석에서 발생한 자속을 대부분 수용하여 고정자 치 내부로 안정적이고 집중적으로 유도함으로써 자속의 흐름을 효과적으로 제어한다. 앞서 언급했듯이 이러한 특성은 SMC 치-팁 구조가 보다 넓은 면적에서 자속을 수용하고 효율적으로 집중시킴으로써, 자속 쇄교를 증가시키고 회전자 오버행 구조의 효과를 극대화하여 모터의 토크 특성 향상에 기여한다.

그림 7. 고정자 치-팁에 따른 자속 벡터 분포도 (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델.

Fig. 7. Flux vector distribution according to stator tooth-tip design. (a) Electrical steel model. (b) SMC model.

3.2 고정자 형상별 자속 밀도 분포

그림 8은 무부하 조건에서, 그림 9은 부하 조건에서의 자속 밀도 분포를 시각화한 결과이다. 복합 코어 모델에서 고정자 내부에 삽입된 이방성 재료인 전기강판 심은 SMC에 비해 자속 유도 성능이 우수하여, 자속이 전기강판 심 구조를 따라 강하게 집중되어 흐르는 양상이 확인된다. 이 과정에서 전기강판 심에 자속이 집중됨에 따라 SMC 부분의 자속 밀도는 상대적으로 감소한다.

전기강판 심 구조에 GO를 적용한 경우, 그림 8 (d)에서 확인되듯이 복합 코어 모델에 NO를 적용한 구조보다 자속이 더욱 강하게 집중되었다. 이는 설계 의도가 적절히 반영되었음을 보여주는 결과로, 토크 특성과 출력 향상으로 직결된다. 또한 GO의 재질적 특성으로 인해 철손 또한 감소하게 되어 전동기의 전반적인 전자기 효율을 개선하는데 기여한다. 부하 조건에서의 자속 밀도 분포인 그림 9 (d)에서는 이러한 자속 집중 효과가 더욱 두드러지게 나타나 설계의 타당성을 명확히 입증한다.

그림 8. 무부하 자속 밀도 분포도. (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델. (c) 복합 코어(NO) 모델. (d) 복합 코어(GO) 모델.

Fig. 8. No-load flux density distribution. (a) Electrical steel model. (b) SMC model. (c) Mixed core(NO) model. (d) Mixed core (GO) model.

그림 9. 부하 자속 밀도 분포도. (a) 전기강판 모델. (b) SMC 모델. (c) 복합 코어(NO) 모델. (d) 복합 코어(GO) 모델.

Fig. 9. Load flux density distribution. (a) Electrical steel model. (b) SMC model. (c) Mixed core(NO) model. (d) Mixed core (GO) model.

3.3 냉각 방식에 따른 고정자 코어별 전자기 성능 비교

그림 10 (a)는 각 모델의 상 역기전력을 나타낸 그래프이고, (b)는 공냉(전류 194.38 A_pk), (c)는 수냉(전류 388.76 A_pk)의 조건에서 각 모델별 토크를 비교한 결과이다. 각 모델의 전자기 해석 결과는 표 2에 정리하였다.

복합 코어(GO) 모델은 공냉 조건에서 기본 모델 대비 토크 특성이 7.11% 향상되었고, 역기전력은 7.08% 증가하였다. 또한 코깅 토크와 토크 리플은 각각 10.74%, 3.78% 감소하였다. 반면 수냉 조건에서는 토크 특성은 4.91% 증가하였으나, 토크 리플은 다소 증가하는 경향이 확인되었다.

그림 10. 각 모델별 전자기 해석 결과 (a) 상 역기전력 파형(4,000 r/min). (b) 토크 파형 (194.38 A_pk). (c) 토크 파형 (388.76 A_pk).

Fig. 10. Electromagnetic analysis results of each model. (a) Phase back-EMF waveform (4,000 r/min). (b) Torque waveform (194.38 A_pk). (c) Torque waveform (388.76 A_pk).

표 3은 공냉 기준 정격토크 200 [Nm]에서의 손실 및 효율을 비교한 결과이고, 표 4는 수냉 기준 정격토크 370 [Nm]에서의 결과를 나타낸다.

그림 8~9에서 확인된 바와 같이 전기강판 심 구조에 자속이 강하게 집중되면서 포화도가 증가하였고, 이로 인해 두 조건 모두에서 제안된 복합 코어(GO) 모델의 철손이 전기강판 모델보다 다소 높게 측정되었다. 하지만 동일한 토크를 출력하는데 필요한 전류가 감소함에 따라 동손이 줄어 전체 효율은 공냉 조건에서 0.02%p, 수냉 조건에서 0.51%p가 증가하였다. 이러한 전자기 해석 결과는 자속 집중 및 자속 경로 최적화를 통해 토크, 출력, 효율 성능이 개선되었음을 의미하며, 제안된 구조가 UAM용 고성능 모터에 적합한 설계 구조임을 확인할 수 있었다.

종합적으로, 제안 모델은 자속 제어 및 전기적 특성 측면에서 모두 우수하며, 고출력·고효율이 요구되는 UAM 전동기에 적합한 설계 방안임을 검증하였다.

본 연구에서 사용된 SMC 고정자 코어는 형상 자유도가 높지만, 기계적 강성이 충분히 크지 않아 결합 시 파손 가능성이 존재한다. 따라서 전기강판과의 결합에는 압입 공정보다는 접착 공정이 더 적합하다. 압입 방식은 결합 과정에서 큰 압력을 가하기 때문에 SMC 재질에 파손 위험이 크지만, 접착 공정은 간극을 허용하면서도 결합 압력을 크게 줄일 수 있어 구조적 안정성이 높다는 장점이 있다. 이때 약 0.1 mm 수준의 결합 간극(clearance)이 형성될 수 있으며, 이러한 간극은 자속 경로와 평행한 방향으로 위치하므로 전자기적 성능에 미치는 영향은 제한적일 것으로 예상된다. 다만, 조립 간극, 접합면에서의 응력 분포, 자속 누설 등은 실제 제작 및 운전 환경에서 전동기 성능에 영향을 줄 수 있는 중요한 요인이므로, 향후에는 이러한 요소들을 포함한 실험적 평가 및 정량적 분석이 필요할 것으로 판단된다.