토크리플과 코깅토크

토크리플과 코깅토크

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

모터밥을 먹기 시작하면서부터 토크리플과 코깅토크에 대한 이야기를 참 많이 들었습니다. 그러나 들을 때마다 토크리플과 코깅토크의 개념이 비슷비슷해서 헷갈리고 했습니다. 정확한 개념이 없이 경험적으로 알던 지식이라서 이내 한계가 들어나서 이번 포스팅을 하면서 좀더 상세히 알아보고자 합니다. 토크리플과 코깅토크의 차이점, 원인, 그리고 이를 해결하기 위한 방법을 정리해 보겠습니다.

 

모터 설계와 성능 분석에서 중요한 두 가지 요소가 있는데 바로 토크리플(Torque Ripple)과 코깅토크(Cogging Torque)입니다. 이 두 개념은 모터의 효율성과 신뢰성을 결정짓는 핵심 요인으로, 특히 BLDC 모터나 영구자석형 동기 모터(PMSM)와 같은 모터 설계에서 큰 영향을 미칩니다.

 

1. 토크리플(Torque Ripple)

토크리플은 모터가 회전할 때 발생하는 토크의 변동을 의미합니다. 이상적인 모터는 일정한 토크를 생성해야 하지만, 실제로는 여러 가지 이유로 인해 토크가 진동처럼 변화하게 됩니다.

 

1) 주요 원인

- 전기적인 요인 : 전류의 비정상적인 흐름 또는 고조파로 인하여 발생

- 기계적인 요인 : 샤프트나 기어의 정렬 문제 또는 물리적인 불균형으로 인하여 발생

- 자기적인 요인 : 자속 밀도의 불균일성이나 설계적인 결함으로 인하여 발생

 

2) 토크리플의 문제점

토크리플은 에너지 효율 감소와 소음, 진동을 증가시킵니다. 이는 모터 수명 단축으로 이어져 모터 신뢰성에 악영향을 끼치게 됩니다.

 

3) 해결방안

- 제어 알고리즘의 최적화 : 전류와 전압을 보다 정밀 제어

- 설계 개선 : 자석의 배열이나 정렬 권선

- 필터 사용 : 토크 보상을 위한 소프트웨어 필터 적용

 

 

2. 코깅토크(Cogging Torque)

코깅토크는 영구자석형 모터에서 고정자 슬롯과 자석 사이의 자기적 상호작용으로 인해 발생하는 저항 토크입니다. 코깅토크는 전류 입력이 없는 상태에서도 나타나며, 특히 저속 회전 시에 눈에 띄게 나타납니다.

 

1) 주요 원인

- 슬롯 효과 : 스테이터의 슬롯과 자석 간의 자기적 상호작용으로 발생

- 자석 배열 : 로터에 배치되는 자석의 배열, 크기, 자속 분포의 비대칭성으로 발생

 

2) 코깅토크의 문제점

모터의 회전 속도가 낮은 구간에서 진동이 크게 발생하게 되고, 회전속도가 불규칙하게 작동하여 정밀한 위치 제어에 부정적인 영향을 미치게 됩니다.

 

3) 해결방안

- 슬롯리스(slotless) 설계 : 스테이터에 슬롯이 없도록 설계하여 코깅토크의 근본적인 제거

- 자석 배열 최적화 : 자석을 비대칭적으로 배치하거나 특정 각도로 배열

- 슬롯 개수 증가 : 슬롯과 자석의 간섭을 줄이는 방향으로 설계

 

슬롯 유무에 따른 스테이터 코어 단면형상 비교

 

3. 코깅토크와 토크리플의 차이점

코깅토크와 토크리플은 서로 다른 개념이지만 밀접하게 관련되어 있습니다. 코깅토크는 토크리플의 원인 중 하나로 작용할 수 있습니다. 아래 표를 통해 두 개념의 차이점을 간단하게 정리해 보겠습니다.

구분	토크리플	코깅토크
발생 원인	전기적, 자기적, 기계적 요인	슬롯과 자석의 상호작용
유형	회전 중 토크 변동	정지 또는 저속 회전 시 진동
해결 방식	제어 알고리즘 및 설계 최적화	슬롯리스 설계, 자석 배열 최적화

 

 

4. 결론

요약해보면 토크리플은 모터가 회전 중에 발생하는 토크의 변동으로, 전기적, 기계적, 자기적 요인에 의해 발생하고, 코깅토크는 영구자석 모터에서 자석과 고정자 슬롯 간의 자기적 상호작용으로 인해 발생하는 특정 저항 토크입니다. 코깅토크는 토크리플의 원인 중 하나로 작용할 수 있지만, 두 개념은 서로 다른 문제를 다룹니다.

 

앞서 언급한 해결방안은 지극히 단순하게 해결할 수 있는 방법을 소개한 것이고 실제로는 이 두 문제를 해결하기 위해서는 설계 최적화와 제어 기술의 발전이 필수적입니다. 모터 성능을 극대화하고 효율을 높이기 위해서는 이러한 요소들을 이해하고 개선하는 것이 중요합니다.