5편까지는 ‘Design’ 단계에서 IPMSM의 size, 형상, 권선, 재질 등의 사양을 설정하는 방법을 안내해드렸습니다.
‘Test’ 단계에서는 모터의 전자기, 온도, NVH 특성을 실제로 해석하고 분석할 수 있습니다. 여러 테스트 항목 중, 이번편에서는 무부하 해석에 대해 안내해드리겠습니다.
모터의 무부하 해석은 3상 winding을 개방한 상태에서 회전자를 강제 회전시켜 수행하며, 이 때 ‘코깅 토크‘와 ‘역기전력‘을 계산하게 됩니다.
코깅 토크는 무부하 회전시에 회전자에서 발생하는 토크 맥동 현상입니다. 값이 크지는 않지만 정방향/역방향 주기적으로 반복해서 나타나는 토크 성분이므로, 모터 진동의 원인중 하나이며 최대한 줄여야 할 항목입니다.
역기전력은 무부하 회전시에 3상 winding의 터미널에서 측정되는 전압입니다. 역기전력은 모터의 회전속도에 비례하며, 이 때 역기전력 상수는 수학적으로 모터의 극쌍수, 슬롯 도체수, 1극 유효자속량, 병렬 권선수의 정보를 포함합니다. 따라서 역기전력 상수는 모터의 size와 형상, 재질 및 권선 정보에 모두 영향을 받게 되므로, 모터마다 고유의 역기전력 상수값을 갖게 됩니다. 그래서 역기전력 해석값을 사용하여 모터 해석 모델을 검증합니다.
▣ 코깅 토크 해석
아래 순서대로 진행하여 코깅 토크 해석을 수행합니다.
- ‘TEST’ 클릭
- ‘OPEN CIRCUIT’ 선택
- ‘Cogging’ 선택
- ‘Thermal’ 클릭하여 온도 설정창 open
- 자석 온도 설정
- ‘Apply’ 클릭하여 설정 저장
- ‘Start test’ 클릭하여 해석 시작
해석이 완료되면 아래 이미지와 같이 좌측의 ‘SECTIONS’ 항목들이 활성화됩니다. ‘Cogging torque’ 아이콘을 클릭하여 1주기의 코깅 토크 파형을 확인할 수 있습니다. 그리고 스크롤을 조금 내리면 코깅 토크의 FFT 결과를 막대 그래프로 확인 가능합니다.
▣ 역기전력 해석
아래의 순서대로 진행하여 역기전력 해석을 수행합니다.
- ‘Back emf’ 클릭
- 코깅 토크 해석 설정과 마찬가지로 ‘Thermal’ 클릭하여 자석 온도 설정
- 모터 회전 속도 입력 (RPM)
- ‘Start test’ 클릭하여 해석 시작
해석이 완료되면 아래와 같이 ‘Phase voltage’를 클릭하여 3상 역기전력 파형을 확인합니다.
또한 ‘Phase volt. harm.’를 클릭하여 역기전력 파형의 FFT 결과를 확인할 수 있습니다.
위 막대 그래프에서 나타나듯이, 역기전력 파형에 홀수 고조파가 포함되어 있습니다. AC 모터는 역기전력 파형이 정현파에 가까울수록, 즉 고조파 성분이 적을수록 모터 효율 및 진동 특성에 유리합니다. 따라서 개발 과정에서 역기전력의 고조파 성분을 저감하기 위한 회전자 및 고정자 형상 설계가 매우 중요합니다. BLDC의 경우에는 역기전력 파형이 구형파에 가까울수록 유리합니다.
아래 이미지와 같이 ‘ISOVALUES’를 클릭하면 magnetic flux density 또는 magnetic vector potential 값의 분포를 그래픽으로 확인할 수 있습니다. 또한 ‘Mesh’ 항목을 선택하면 mesh 형상도 나타납니다.
지금까지 모터의 무부하 해석에 대해 안내해드렸습니다.
다음편부터는 전류를 입력하였을 경우의 모터의 특성에 대해 해석하는 방법에 대해 안내해드리겠습니다.