모터 극수 증가에 따른 장단점

모터 극수 증가에 따른 장단점

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

BLDC 모터에서 고정자의 슬롯(Slot)수와 회전자의 극(Pole)수는 모터의 성능, 효율, 제조 복잡성에 중요한 영향을 미칩니다. 

일반적으로 고정자의 슬롯수와 회전자의 극수는 3:2 구조를 많이 채용하고 있습니다. 예를 들면, 6극 9슬롯, 8극 12슬롯이 대표적입니다. 그러나 최근에는 모터의 성능 및 효율을 올리기 위하여 회전자의 극수를 증가시켜 개발하는 추세입니다.

 

최근 개발 검토 중인 모터의 고정자의 슬롯수가 12슬롯입니다. 이를 기준으로 하여 회전자의 극수를 10극, 12극, 14극, 또는 그 이상으로 늘릴 때의 장단점에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

1. 모터의 극, 슬롯은 무엇인가?

- 극(Pole)

모터의 회전자에서 BLDC의 경우는 자석의 개수를 의미하며, 유도기의 경우는 전자기극이 생성하는 자극의 개수를 말합니다. 일반적으로 짝수로 설계되며, 한 쌍의 N-S 자극으로 형성

 

- 슬롯(Slot)

고정자 또는 회전자에 코일이 배치되는 공간을 의미를 의미하며, 고정자 슬롯은 코일의 전류가 생성하는 자속의 통로가 됩니다.

 

예시 8P12S, 10P12S, 12P12S (출처. 전기학회 논문지)

 

- 극과 슬롯의 조합

모터의 극-슬롯의 조합은 초기 모터 설계 시 주요한 변수 중 하나입니다. 일반적으로 극-슬롯의 조합은 3:2 구조를 채용합니다. 대표적으로 4P6S, 6P9S, 8P12S이 있습니다.

잘못된 극-슬롯의 조합 비율(S/P)에 따라 자속 누설에 따른 성능 문제가 발생할 수 있고, 토크 리플, 코깅 토크, EMF의 파장 등이 모터에 악영향을 미쳐 진동과 소음이 커지는 등 모터 품질에 악영향을 미칩니다.

 

 

2. 모터 회전자의 극수 증가 시 장단점

(1) 장점

첫째, 높은 토크 밀도입니다. 극수를 늘리면 자속 변동 주기가 짧아져 단위 시간당 더 많은 상호작용이 발생하므로, 더 높은 토크 밀도를 얻을 수 있습니다. 이는 특히 저속에서의 토크 성능을 개선합니다.
둘째, 낮은 토크 리플로 슬롯과 극의 비율이 적절하면 코깅 토크와 토크 리플을 줄일 수 있습니다. 12슬롯에서 극수를 증가시키면 토크 리플 최소화 조합을 찾을 가능성이 높습니다.
셋째, 효율적인 자속 경로를 들 수 있습니다. 극수가 많아지면 자속 집중 설계에서 자석의 자속 경로가 더 짧아지고 이는 자속 경로에서의 손실을 줄일 수 있습니다.
마지막으로 작은 전기적 회전각입니다. 극수가 많을수록 각 극이 차지하는 기계적 각도가 작아지므로 제어의 세밀함이 증가하고, 고속 동작 시의 제어 응답성이 향상됩니다.

 

(2) 단점

첫째, 복잡한 제조 공정과 비용입니다. 극수가 많아지면 자석 배치와 조립 과정이 더 복잡해지고 이는 제조 비용 증가와 이어집니다. 특히 자속집중형 모터의 경우는 착자(Magnetization) 공정이 어려워지고 다수의 착자기가 필요하게 됩니다.
둘째, 자속 누설 증가가 증갑합니다. 극수가 많아지면 인접한 자석 사이의 간격이 좁아져 자석끼리 영향을 주고 받아 자속 누설이 증가할 가능성이 있습니다. 이는 모터의 전체적인 효율을 저하를 야기시킬 수 있습니다. 또한 극수가 많을수록 단위 시간당 전기적 주파수가 증가하여 회전 속도가 점점 고속으로 증가할 때, 코어 손실, 와전류 손실 등이 증가하여 성능 저하를 발생시킬 수 있습니다.
마지막으로 EMF 파형 왜곡 현상이 발생합니다. 극수 증가는 전기자 반작용의 영향이 커지고, 이는 비정현파 형태의 유도 전압(EMF)로 이어질 수 있습니다.

 

 

3. 결론

	장점	단점
8극 (기본설계)	- 기본적인 극-슬롯 조합 3:2 구조로 안정적임. - 효율과 토크 리플이 적절히 균형 잡힘. - 적절한 기계적 단순성과 제조 용이성을 제공함.	- 고속에서 더 높은 성능을 제공하지만 저속에서의 토크 밀도는 약간 낮을 수 있음.
10극	- 코깅 토크를 더욱 줄이는 데 유리함 - 저속에서의 토크 밀도와 성능이 개선됨.	- 8극보다 전기적 주파수가 증가해 고속 성능이 약간 저하될 가능성 있음.
12극 이상	- 슬롯-극수 조합이 비효율적으로 바뀌고 토크 리플이 증가할 가능성이 있음.   * 12극 (1:1 구조) : 코깅 토크 증가 가능성 있음.   * 14극 : 자속 누설 증가와 제조 복잡성 증가함.

 

최근 검토 중인 모터의 경우는 8극와 10극을 동시에 검토하고 있습니다.

개발 입장에서 성능과 효율 향상을 위하여 10극 또는 그 이상의 극수를 늘리고 싶지만 비용적인 측면에서 8극도 검토하고 있습니다. 8극 채택 시에는 제조 설비 공용화가 가능하여 투자비를 절감할 수 있습니다. 

 

일반적으로 극수의 증가는 성능과 효율이 향상되지만 다양한 설계인자를 고려하여 최적화하는 것이 중요합니다.