제4편 – IPMSM Design (3) – 코일(Coil) & 고정자(Stator) 형상 설계

이번 편에서는 모터 고정자 형상 설계와 winding 및 coil 설정에 대해 안내해드리겠습니다.

영구자석 동기모터는 자석에서 발생하는 자계와 코일 전류에 의해 발생하는 자계의 상호작용에 의해 토크를 출력합니다. 그러므로 고정자 및 코일 설계는 모터의 출력을 결정하는데 매우 중요한 항목입니다.

요구 출력을 만족하기 위해 코일 사양을 설계하면, 이를 구현하기 위해 슬롯 면적이 충분히 고려되어야 하며, 또한 슬롯 면적이 증가하면 치폭이 감소하여 자속 포화 현상로 인해 발생하는 역기전력 고조파에 의해 진동 문제가 발생할 수도 있습니다. 또한 전류에 의한 코일 발열 현상도 고려하여야 합니다. 따라서 모터 특성 해석 및 설계에서 가장 어려운 단계라고 볼 수도 있습니다.

아래 그림과 같이 고정자(Stator)는 슬롯과 치로 구성되어 있습니다. 이번 step에서는 슬롯과 치의 형상 및 size를 설정하게 되고, winding type과 coil 사양을 입력합니다.

이미지 2

 

▣ Slot shape

슬롯 및 치의 기본 형상을 설정하기 위해, FluxMotor에서 제공하는 슬롯 형상 라이브러리에 접속해야 합니다. 아래 그림과 같이 ‘STATOR’ – ‘Slot’ – ‘Slot shape’를 클릭합니다.
그림1

원하는 type의 슬롯을 선택합니다. 같은 형상이라도 어떤 parameter를 사용하여 설계하느냐에 따라 type이 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 만약 teeth의 두께를 parameter로 조정하고 싶다면 PllTooth에서 선택하면 됩니다. Slot과 관련된 parameter만 사용하기를 원한다면 PllSlot 항목에서 선택하면 됩니다.
그림2

 

슬롯 type을 선택한 후, 치수를 조정하여 슬롯 및 치(Teeth)의 size를 결정합니다. 치수 입력이 완료되었으면 반드시 체크박스 모양의 ‘Apply inputs’을 클릭하여 치수를 저장해야 합니다.
그림3

 

 

▣ Winding

Winding 및 coil 사양을 설정하기 위해 ‘STATOR’ – ‘WINDING’ 탭으로 이동합니다.

Winding 항목에서는 결선 형태, 병렬 회로수, 코일 pitch등의 기본적인 권선 배치를 결정할 수 있습니다.

그림4

Winding connection : Wye 결선, Delta 결선중 선택. Wye 결선은 일반적으로 많이 사용하는 결선으로 상대적으로 높은 토크 출력이 가능합니다. Delta 결선은 저토크, 고속 운전에서 유리한 점이 있지만, 3상 저항 불평형에 의한 순환 전류가 발생하여 손실 및 진동이 크게 발생할 수 있다는 단점도 있습니다.

Definition mode : Winding 배치를 결정합니다. 중앙의 권선도 미리보기를 보며 원하는 형태로 권선을 배치할 수 있습니다.각 모드에 따라 설정할 수 있는 parameter의 수가 증가합니다.

  • Auto mode : 병렬 회로수 입력. 나머지 parameter는 자동 설정
  • Easy mode : 병렬 회로수, 코일 피치, 슬롯당 코일 개수, 권선 종류 입력. 나머지 parameter는 자동 설정
  • Advance mode : 전체 parameter 설정
  • Expert : 권선 배치 매뉴얼 설정

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Winding 설정이 완료되었으면, ‘Coil’ 항목으로 이동합니다. 여기에서는 코일의 세부 사양을 설정할 수 있습니다.
그림5

Wire topology : 코일 단면 형상. 원형/사각형 중 선택
Slot filling : Wire 배치 형상 설정
Conductor grouping method : 코일 1턴당 배치 형성 설정
그리고 코일 턴수, 1턴당 병렬 wire수, wire 직경, wire간 거리를 설정합니다.

 

Insulation 항목에서는 wire 절연 코팅과 관련된 parameter를 설정할 수 있습니다. Wire 코팅 두께에 따라 wire간 간격이 변하게 되어 wire 배치 형상이 바뀌게 될 수 있습니다.
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  • Wire (mm) : 코팅 두께
  • Liner (mm) : 슬롯 내벽 코팅 두께
  • Impregnation : 슬롯 내부 절연물 주입 여부. 에폭시 등의 절연 물질을 슬롯 내부에 채울 경우 설정합니다.
    코팅은 전자계 성능에 영향을 주지 않지만, 온도 해석 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

 

End winding 항목에서는 end coil의 치수를 설정합니다. 코일 저항값에 영향을 주게 됩니다.
이미지 12

 

 

Winding 설정이 완료되었으면, ‘Datasheet’ – ‘Resistance’ 항목으로 가면 1상의 winding 저항값을 확인할 수 있습니다.
그림6

 

실제 모터의 winding 저항 측정값과 FluxMotor에서 계산된 저항값과 차이가 있을 수 있습니다. 저항은 wire 길이와 단면적에 의해 결정되는데, 실제 winding의 총 길이를 예측하기 어렵기도 하고, 또한 제작과정에서 권선기 텐션에 의해 wire가 변형되기도 합니다.

실제 winding 저항 측정값을 알고 있다면, X-Factor 항목의 ‘Winding resistance factor’를 조정하여 저항 계산값을 보정할 수 있습니다.

 

지금까지 고정자 형상과 코일 설계에 대해 세부적으로 알아보았습니다.

다음편에서는 냉각조건 설정 및 재질 설정에 대해 안내해드리겠습니다.

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