모터의 분할 (Segmentation)과 스큐(Skew)

 

전기차 영구자석 동기 모터(PMSM)의 손실 유형

모터의 분할 (Segmentation)

모터에서 분할 코어(Segmented Core) 은 코어를 여러 개의 작은 세그먼트로 나누어 구성하는 기술로, 전통적인 일체형 코어와는 다른 접근 방식을 통해 다양한 전기적, 열적, 구조적 이점을 얻을 수 있니다.

 

특히 이는 모터의 손실 중 와류손에 기인하는데 기본적으로 길이의 거듭제곱에 비례하기에 면적을 끊어내는 과정은 열적 손실을 최소화 시키는 과정과 같다.

1. 분할의 필요성

전통적인 모터의 코어는 단일 구조로 이루어져 있으며, 자속 경로가 통과할 때 발생하는 와류 손실(Eddy Current Loss)과 열 발생 문제가 존재했다. 이러한 문제는 모터의 성능 저하와 효율 감소를 초래했고, 고속 회전과 높은 자속 밀도가 요구되는 전기차 모터에서는 과도한 와류 손실과 열 발생이 문제가 된다.  이를 교과서에선 성층철심으로 해결했다고 하지만 여전히 문제가 되었고 추가적으로 호랑 요하는 분할 코어 기술은 자속이 통과하는 경로를 세그먼트 단위로 분산하여 와류 손실을 줄이고, 각 세그먼트가 독립적으로 열을 방출하도록 함으로써 모터의 효율과 열 관리를 개선한다.

2. 분할의 주요 효과

와류 손실 감소

 

분할 코어는 자속이 각 세그먼트 내에서 독립적으로 흐르게 하여, 세그먼트의 경계에서 와류 경로가 차단된다. 이를 통해 와류 손실이 집중되는 것을 방지하며, 결과적으로 손실을 줄이는것으로 설명할 수 있다. 와류 손실은 주파수와 자속 밀도에 따라 증가하므로, 분할 코어는 특히 고주파 회전과 높은 자속 밀도를 요구하는 모터에서 그 효과가 크다.(실제 논문에서 비율을 봐도 SPMSM 기준 20% 정도 저감된 논문들을 심심치 않게 볼 수 있다)

 

열 발생 억제 및 분산

 

 각 세그먼트 간에 절연 처리를 하여, 각 세그먼트가 독립적으로 열을 방출한다. 이러한 열 분산 효과는 전기차와 같은 장시간, 고부하 환경에서 모터가 과열되지 않도록 보호하며, 모터의 신뢰성과 수명을 연장하는 데 기여한다.

3. 제조 공정과의 관계

분할 코어는 모터의 조립 공정에서도 이점이 있다. 코어를 작은 세그먼트 단위로 제작할 수 있으므로, 모터 조립의 유연성과 효율성이 높아지며, 세그먼트 각각을 독립적으로 검사할 수 있어 생산 품질을 향상한다. 또한, 대형 모터를 제작할 때는 분할된 코어가 조립 편의성과 원자재 절약을 동시에 가능하.

4. 실제 활용

 

가장 대표적인 예시는 테슬라의 카본슬리브로 실제 저런 형상을 제작해 만들고 있음을 확인할 수 있다.

모터의 스큐 (Skew)

스큐(Skew)는 모터의 자석이나 슬롯을 축 방향으로 약간씩 비틀어 배열하는 기술로, 전기차와 같이 주행 중 소음과 진동을 최소화해야 하는 역할을 한다.

1. 스큐의 필요성

모터에서 자석과 슬롯의 정렬 상태는 자속의 흐름을 급변하게 할 수 있으며, 이로 인해 토크 리플(Torque Ripple)과 코깅 토크가 발생하게 된다. 토크 리플은 자석과 슬롯의 위치가 변화하면서 생기는 불규칙한 토크로, 모터의 회전이 매끄럽지 않게 만들어 소음과 진동을 유발하기에, 스큐 기술은 이러한 자속 변화가 분산되도록 함으로써, 자속 경로를 부드럽게 만들어 토크 리플을 완화하고, 결과적으로 전기차 주행 중 승차감을 개선한다.

2. 스큐의 주요 효과

토크 리플 감소

 

스큐링된 구조는 자석과 슬롯의 정확한 정렬을 피하게 하여, 자석과 슬롯이 마주칠 때마다 발생하는 자속 밀도의 급격한 변화를 완화시킨다. 자석이 비틀어져 배열되면 자속 변화가 여러 위치에서 분산되기 때문에 토크 리플이 줄어들며, 전기차에서 필수적인 주행 안정성과 정숙성을 확보할 수 있다.

 

코깅 토크 완화

 

스큐링은 자석과 슬롯 간의 간섭을 줄여 코깅 토크를 감소시킨다. 코깅 토크는 저속에서의 진동을 일으키기 때문에, 이를 줄이는 스큐 기술은 전기차의 저속 주행 시 승차감 개선에 큰 기여를 한다.

 

와류 손실 감소

 

 스큐 구조는 자속 변화가 축 방향으로 부드럽게 분산되어, 자속 밀도가 특정 위치에 집중되는 것을 방지한다. 이는 와류 손실이 집중되지 않도록 하여 열 발생을 줄이고, 모터 효율을 높이지만 위에 효과에 비해서는 큰 이득은 아니다.

3. 스큐의 구현 방식

스큐링은 주로 자석 스큐링(Magnet Skewing)과 슬롯 스큐링(Slot Skewing)으로 구분된다. 자석 스큐링은 회전자에 부착된 자석을 축 방향으로 약간씩 비틀어 배열하여, 자속이 특정 위치에 집중되지 않도록 한다. 슬롯 스큐링은 고정자의 슬롯을 비틀어 자속 경로가 균일하게 분산되도록 합니다. 또한, 다중 스큐(Multi-Skew) 기술은 각 세그먼트에 서로 다른 스큐 각도를 적용하여 토크 리플을 보다 효과적으로 제어할 수 있다.

 

Performance improvement of EPS motor for vehicle with split core and stator skew

 

논문에서 이와 같은 데이터를 확인할 수 있는데 실제 리플감소를 목적으로 둔다 이해하자