안녕하세요. 지난화에서 예제를 통한 기본 설정 방 법 확인과 세부 설정 방법 및 수치 확인에 대해 알아봤고, 이번화에서는 예제 하나를 분석하여 전기기기 모델링 및 해석 아이디어 습득하는 과정을 소개합니다. 여러분이 이와 같은 관점으로 접근 하시면 좋은 아이디어를 얻으실 수 있습니다. 시작하겠습니다.
1. 기본 설정 방법 확인
2. 세부 설정 방법 및 수치 확인
3. 전기기기 모델링 및 해석 아이디어 습득
3.1 전기기기 모델링
모델은 아래 그림과 같은 IPM 모터입니다.
Geometry 에서 특이점은 옆에서 보면 로터위에 얇은 공기층이 있습니다(아래그림 참조). 어차피 공기인데 굳이 얇은 공기층을 하나 만들었습니다. 그러면 아래와 같은 물음표들이 생깁니다.
1. 왜 스테이터에는 없지?
2. 왜 로터에만 있지?
3. 왜 얇지?
4. 로터의 철심부분만 있어도 될꺼 같은데 왜 로터를 전부 덮는 모델로 만들었지?
이제 왜에 대한 답변을 달아봅니다.
1. 왜 스테이터에는 없지?
▷ 스테이터에는 코일이 있고 코일에 흐르는 전류가 메인이고, 그 외에 스테이터에 유입되는 자기장이 적다보니 필요가 없을 것으로 생각할 수 있습니다.
▷ 또한 만든다면 스테이터 부분이 형상이 좁고 곡선이 많아 메쉬를 증가 할 수 있습니다.
▶ 결론적으로 메쉬를 증가에 비해 그 효과가 미미하다 보니 필요없다라고 볼 수 있습니다.
2. 왜 로터에만 있지?
▶ 3D 모터의 경우 스테이터 밖으로 나오는 코일(return coil)이 있어 이 코일에 흐르는 전류로부터 자리장이 로터에 유입될 수 있고, 어느 정도 유효하기 때문이라고 생각할 수 있습니다.
3. 왜 얇지?
▶ 1. 매질이 공기이기 때문이라고 볼 수있습니다. 공기의 투자율이 낮기 때문에 멀지 않은 거리에도 자속밀도의 감소는 매우 큽니다. 즉 어느정도 거리 이상이면 수치가 너무 낮아 의미가 없는 것이죠. 따라가 가까운 부분만 의미가 있는데 경험적으로 저 정도의 얇기면 충분히 고려되기 때문에 2 mm 로 설정 된 것으로 짐작할 수 있습니다.
▶ 2. 갑작스런 메쉬 사이즈 증가를 막기위함으로 메쉬간의 사이즈 차가 커지면 메쉬 질이 떨어지고 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 중요부분이라면 이와 같이 중간층을 만들어주면 정확도를 높일 수 있습니다.
4. 로터의 철심부분만 있어도 될꺼 같은데 왜 로터를 전부 덮는 모델로 만들었지?
▷ 샤프트 부분은 성능에 영향을 미치지 않는 부분으로 생각 되어 없어도 된다고 생각합니다. 그럼 왜 있을까요?
▶ 가장 큰 이유는 모델을 만들기 쉽기 때문이라고 생각합니다. 또한 샤프트부분의 메쉬는 이미 크게 설정되어 있어 메쉬 수에도 큰영향을 미치지 않기 때문에 추가작업을 줄이고자 이렇게 하지 않았난 생각해봅니다.
▶ 또 다르게 생각해보면 대부분의 솔버는 대칭성을 적극반영하여 계산합니다. 왜냐면 반만 풀어도 전체의 답을 얻을 수 있기 때문입니다. 이 관점에서 보면 모델은 대칭성을 갖도록 만드는 것이 좋습니다. 이를 반영하여 모델링 했다고 하면 이해 할 수 있습니다.
3.2 해석 아이디어
Physics 부분에서 커플링 회로를 보면 I1~3와 Coil 1~3는 각 상의 전류원과 코일이므로 이해가 가는데 그 외 부분은 분석이 필요합니다.
1. L1~3, R1~3
▶ 각 상의 코일과 직렬 연결이 되어 있어 코일의 한부분이라고 볼 수 있습니다. 2차원에서는 스테이터에 있는 코일만 표현되고 return coil 은 표현되지 않았기 때문에 return coil 부분의 저항과 인덕턴스로 볼 수 있습니다.
2. Mag 1, Mag 2
▷ 이 두 solid conductor 는 커플링 소자로 살펴보면 자석과 커플링 된 것을 알 수 있습니다.
▶ 자석이 하나의 solid로 되어 있기 때문에 solid conductor로 선택 되었고, 와전류가 흐를 수 있기 때문에 이를 고려하기 위해 이와 같이 설정 한것을 알 수 있습니다.
▶ 추가적으로 무시할 수도 있는데 무시하지 않은 이유는 결과에 영향을 미칠만큼의 역할을 하는 것으로 볼 수 있어 정확한 해석을 위해서 필요하다고 볼 수 있습니다.
3. R4, R5
▶ 자석과 연결 된것이 없기 때문에 자석의 저항으로 볼 수 있습니다. 좀 더 확실한 확인을 위해 자석 부분의 전압을 전류로 나누면 1000 옴으로 나와 R4와 R5와 동일하여 자석의 저항임을 알 수 있습니다.
4. R6
▶ 코일 1~3과 연결되어 있는 것으로 보아 코일과 연결 된 제어 회로 등의 저항을 일괄적으로 표시한 것으로 알 수 있습니다.
▶ 전원이 전류원이기 때문에 토크에는 영향을 미치지 않겠지만 전체적인 손실을 계산할 때는 쓰일 수 있습니다.
지금까지 한 예제를 분석하여 관련 아이디어를 얻었습니다. 예제에 나타난 것에는 의미가 있고 그 의미를 쫓다보면 여러가지 아이디어를 얻을 수 있습니다. 이것은 곳 실력향상에 도움이 될 것입니다. 추가적으로 내가 추론한 것과 본연의 의미와 맞는지 의문이 든다면 해석 결과에서 여러가지 결과를 분석하면 확실하게 파악 할 수 있습니다.
이번 예제활용법은 어려우실 수 있는데 그만큼의 가치는 한다고 생각합니다. 결과가 나오지 않을 때나 뭔가 추가 될 것은 없나 할 때 예제들을 살펴보시기 바랍니다.