모터 고정자 코어 및 전기 모터 적층 설명

모터 고정자 코어는 모든 전기 모터의 중심에 있는 고정 자기 구조이며 적층 구조는 모터 효율, 열 발생 및 전력 밀도를 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 전기 모터 라미네이션은 일반적으로 두께가 0.2~0.65mm인 얇은 실리콘 강철 시트로, 쌓아서 접착하여 고정자 코어를 형성합니다. . 이 적층 구조는 모터 입력 전력의 상당 부분을 폐열로 변환하는 와전류 손실을 억제하기 위해 특별히 존재합니다. 올바른 적층 재료, 두께 및 적층 방법을 선택하면 기본 산업 장치에서 고성능 EV 구동 모터에 이르기까지 모터가 효율성 스펙트럼에서 어디에 위치하는지 직접적으로 결정됩니다.

모터 고정자 코어란 무엇입니까?

The stator core is the fixed outer magnetic circuit of an electric motor. 그 기능은 고정자 권선에 의해 생성된 교류 자속을 전달하여 에어 갭을 가로질러 자기장을 집중시키고 방향을 지정하여 회전자와 상호 작용하는 낮은 자기 저항 경로를 제공하는 것입니다. 이러한 자기 상호 작용은 모든 전기 모터의 기본 출력인 토크를 생성하는 것입니다.

구조적으로 모터 고정자 코어는 원통형 요크(자기 회로를 완성하는 백철)와 회전자를 향해 안쪽으로 돌출된 일련의 톱니로 구성되며, 그 사이에 구리 권선이 슬롯에 안착됩니다. 이러한 톱니와 슬롯의 형상(수, 너비, 깊이 및 이들 사이의 비율)은 모터의 토크 특성, 권선 공간 계수 및 음향 동작을 제어합니다. 일반적인 4극 유도 전동기에서 고정자는 36개의 슬롯을 가질 수 있습니다. 폴 수가 많은 서보 모터에는 48개 이상이 있을 수 있습니다.

코어는 두 가지 경쟁 목표를 동시에 달성해야 합니다. 높은 투자율 (최소한의 저항으로 플럭스를 전달하기 위해) 낮은 코어 손실 (각 자기주기 동안 열로 소산되는 에너지를 최소화하기 위해). 적층 실리콘강 구조는 실제 제조 제약 내에서 두 가지를 모두 최적화하는 엔지니어링 솔루션입니다.

전기 모터 적층이 존재하는 이유: 코어 손실의 물리학

고정자 코어가 단일 강철 블록으로 가공된 경우 전체 부피에 걸쳐 전기 전도성을 갖습니다. 코어를 통과하는 교류 자기장은 벌크 재료 내에서 순환 전류(와전류)를 유도합니다. 이는 마치 변압기의 다양한 플럭스가 2차 권선에 전류를 유도하는 것과 같습니다. 이러한 와전류는 자속 방향에 수직인 폐쇄 루프로 흐르며, 강철은 전기 저항을 갖고 있기 때문에 에너지를 I²R 열로 소산합니다.

와전류로 인해 손실된 전력은 적층 두께와 작동 주파수의 제곱 . 적층 두께를 절반으로 줄이면 와전류 손실이 약 75% 감소합니다. 이러한 관계로 인해 라미네이션 두께는 전기 모터 엔지니어링에서 가장 중요한 설계 변수 중 하나가 됩니다. 특히 가변 속도 드라이브 및 고속 애플리케이션에서 작동 주파수가 증가할 때 더욱 그렇습니다.

고정자 적층의 총 코어 손실에는 두 가지 구성 요소가 있습니다.

• 와전류 손실: 주파수의 제곱과 자속 밀도의 제곱에 비례합니다. 주로 강철의 적층 두께와 전기 저항률에 의해 제어됩니다.
• 히스테리시스 손실: 각 AC 주기마다 강철 내 자구를 반전시키면서 에너지가 소산됩니다. 주파수와 자속 밀도에 비례하여 대략 1.6-2.0승으로 증가합니다(Steinmetz 지수, 재료에 따라 다름). Controlled by steel grain orientation, silicon content, and annealing treatment.

코어를 서로 전기적으로 절연된 얇은 적층으로 자르면 와전류 경로가 개별 얇은 시트로 제한됩니다. 와전류 순환에 사용할 수 있는 단면적이 크게 줄어들고 이에 따라 손실도 줄어듭니다. 0.35mm 라미네이션 스택은 대략적으로 나타납니다. 25~30배 더 낮은 와전류 손실 than a solid core of the same dimensions operating at the same frequency.

고정자 적층 재료: 실리콘강 등급 및 선택

고정자 적층의 주요 재료는 다음과 같습니다. 전기강판 — a family of iron-silicon alloys formulated specifically for magnetic applications. 실리콘 함량(일반적으로 중량 기준 1~4.5%)은 두 가지 목적으로 사용됩니다. 즉, 강철의 전기 저항력을 높이고(와전류 손실 감소) 자기 변형(자화 중에 강철이 겪는 치수 변화, 모터 소음 및 가청 소음의 주요 원인)을 감소시킵니다.

무방향성 vs. 방향성 전기강판

Electrical steel is produced in two broad categories. 무방향성(NO) 전기강판 무작위 입자 구조를 갖고 있어 시트 평면 내 모든 방향에서 거의 균일한 자기 특성을 제공합니다. 이 등방성은 모터가 작동할 때 자속이 코어를 통해 회전하는 회전 기계 고정자에 필수적입니다. 재료는 자속 방향에 관계없이 동일하게 잘 작동해야 합니다. 사실상 모든 모터 고정자 적층은 무방향성 등급을 사용합니다.

방향성(GO) 전기강판 반면, 한 축(압연 방향)을 따라 결정립을 정렬하도록 가공되어 해당 방향에서 매우 낮은 코어 손실을 달성합니다. 주로 자속 방향이 고정되어 있는 변압기 코어에 사용되며 회전 기계 고정자에는 적합하지 않습니다.

표준 적층 두께 및 적용

적층 두께 선택은 코어 손실 성능과 제조 비용 간의 균형을 유지합니다. 얇은 라미네이션은 손실을 줄이지만 필요한 시트 수를 늘리고 스탬핑 및 스태킹 비용을 높이며 더 엄격한 치수 공차를 요구합니다.

고급 재료: 비정질 및 나노결정질 코어

For applications demanding the absolute minimum core loss — particularly high-frequency motors above 1 kHz — 비정질 금속 합금 (예: Metglas 2605SA1)은 최고의 기존 규소강 등급보다 약 70~80% 낮은 코어 손실을 제공합니다. 비정질 금속은 용융물로부터 급속한 응고에 의해 생성되며, 이는 결정립 형성을 방지하고 히스테리시스 손실이 매우 낮은 유리질 원자 구조를 생성합니다. 단점은 비정질 리본이 매우 얇은 스트립(일반적으로 0.025mm)으로 생산되고 부서지기 쉬우며 기존 전기 강철보다 훨씬 더 비싸고 스탬핑이 어렵다는 것입니다. 나노결정질 합금은 실리콘강보다 코어 손실이 낮고 완전 비정질 소재보다 가공성이 뛰어난 중간 지점을 제공합니다.

고정자 적층 제조: 스탬핑, 절단 및 스태킹

고정자 적층 생산에는 엄격하게 제어되는 여러 제조 단계가 포함되며, 각 단계는 완성된 코어의 치수 정확도와 자기 성능에 모두 영향을 미칩니다.

프로그레시브 다이 스탬핑

프로그레시브 다이 스탬핑 고용량 고정자 적층의 지배적인 생산 방법입니다. 전기 강철 스트립의 코일은 완성된 라미네이션이 최종 스테이션에서 지워지기 전에 순차적 스테이션의 슬롯 개구부, 외부 프로파일, 키홈 및 기타 기능을 점진적으로 펀칭하는 다단계 프레스 도구를 통해 공급됩니다. 분당 200-600스트로크의 스탬핑 속도는 최대 직경 200mm의 라미네이션에 일반적입니다. larger laminations require slower rates to maintain dimensional accuracy.

펀치와 다이 사이의 간격인 다이 클리어런스는 라미네이션 품질에 매우 중요합니다. 과도한 간격은 절단 가장자리에 버링을 발생시켜 층간 접촉을 증가시키고 인접한 적층 사이에 와전류에 대한 단락 경로를 생성하여 코어 손실 성능을 직접적으로 저하시킵니다. 업계 표준에서는 버 높이를 아래로 요구합니다. 0.05mm 대부분의 모터 라미네이션 응용 분야에 적합합니다. 얇은 고주파 라미네이션에는 더 엄격한 제한이 적용됩니다.

프로토타입용 레이저 및 와이어 EDM 절단

프로토타입 및 소규모 배치 적층 생산을 위해, 레이저 절단 와이어 방전 가공(EDM)은 스탬핑의 주요 대안입니다. 레이저 절단은 빠른 처리 시간을 제공하고 툴링 비용이 들지 않지만 절단 가장자리를 따라 열 영향을 받는 부분이 전기강판의 미세 구조를 수정하여 절단 가장자리에서 국부 코어 손실을 15~30% 증가시킵니다. 이 효과는 열 영향을 받는 부분이 전체 단면에서 더 큰 부분을 차지하는 좁은 치아에서 비례적으로 더 중요합니다. 제어된 분위기에서 750~850°C로 절단 후 어닐링하면 손실된 성능을 상당 부분 복구할 수 있습니다.

스택의 연동, 접합 및 용접

개별 적층은 견고한 코어 스택으로 통합되어야 합니다. 주요 방법은 다음과 같습니다.

• 연동(클린칭): 스탬핑 중에 형성된 작은 탭은 인접한 라미네이션의 해당 홈과 맞물려 스택을 기계적으로 함께 고정합니다. 빠르고 저렴하지만 인터록은 비결합 스택에 비해 코어 손실을 3~8% 증가시킬 수 있는 국부적인 응력 집중을 생성합니다.
• 레이저 용접: Seam welds along the outer diameter or back-yoke area fuse the stack. 용접 열은 용접 라인을 따라 자기적으로 저하된 영역을 생성하며 일반적으로 총 코어 손실을 5~15% 증가시킵니다. 기계적 강도가 우선시되는 곳에 사용됩니다.
• 접착 결합(접착식 라미네이션 스택): Each lamination is coated with a thin layer of thermosetting adhesive before stacking; 어셈블리는 압력 하에서 경화됩니다. 접착 스택은 모든 통합 방법 중 최고의 코어 손실 성능(기계적 응력 없음, 열 손상 없음)을 가지며 고효율 EV 모터에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 접착 코팅 두께(일반적으로 2~5μm)는 층간 절연 역할도 합니다.
• 볼트 체결/관통 볼트: 볼트는 스택의 정렬된 구멍을 통과합니다. 대형 산업용 모터에는 간단하고 견고하지만 볼트 위치에 압축 응력과 잠재적인 자기 단락이 발생합니다.

고정자 적층 설계: 슬롯 형상과 모터 성능에 미치는 영향

고정자 적층의 슬롯 및 톱니 형상은 모터 엔지니어링에서 가장 중요한 설계 결정 중 하나입니다. 이는 구리 충전율, 자속 밀도 분포, 누설 인덕턴스, 코깅 토크 및 가청 잡음에 동시에 영향을 미치므로 슬롯 설계는 여러 경쟁 요구 사항의 균형을 맞추는 최적화 문제가 됩니다.

개방형 대 반폐쇄형 대 폐쇄형 슬롯

슬롯 개구부(에어 갭 표면에서 인접한 톱니 끝 사이의 간격)는 주요 설계 변수입니다. 슬롯 열기 미리 형성된 코일을 쉽게 삽입할 수 있지만 에어 갭(슬로팅 고조파)에서 큰 자속 밀도 변화가 발생하여 토크 리플과 가청 소음이 증가합니다. 반밀폐형 슬롯 (partially bridged tooth tips) reduce slotting effects at the cost of slightly more difficult winding insertion. 닫힌 슬롯 슬로팅 고조파를 완전히 최소화하지만 권선을 작은 구멍을 통해 연결해야 하므로 도체 크기가 제한되고 달성 가능한 충전 계수가 줄어듭니다.

EV 애플리케이션에 사용되는 PMSM(영구자석 동기 모터)의 경우 회전자 자석과의 코깅 토크 상호 작용을 최소화하기 위해 선택된 톱니 끝 폭을 가진 반폐쇄형 슬롯이 표준 관행입니다. 슬롯 개구부는 일반적으로 다음과 같이 설정됩니다. 자극 피치를 슬롯 번호로 나눈 값의 1~2배 , a relationship derived from harmonic analysis of the air gap flux density.

스택 팩터 및 그 영향

적층 계수(적층 채우기 계수라고도 함)는 적층 사이의 절연 코팅을 고려한 코어의 전체 기하학적 부피에 대한 실제 자성 강철 부피의 비율입니다. 잘 생산된 모터 적층의 일반적인 적층 계수는 다음과 같습니다. 0.95–0.98 - 코어 단면적의 95~98%가 활성 자성 물질임을 의미합니다.

과도한 버, 두꺼운 절연 코팅 또는 열악한 적층 관행으로 인해 예상보다 낮은 적층 계수는 코어의 효과적인 자속 전달 단면을 감소시켜 철이 설계된 것보다 더 높은 자속 밀도에서 작동하도록 합니다. 이로 인해 코어가 B-H 곡선에서 포화 상태로 더욱 올라가게 되어 코어 손실과 자화 전류가 모두 증가하고 역률과 효율이 저하됩니다.

EV 및 고효율 모터의 고정자 적층: 현재 동향

전기 자동차의 급속한 성장과 글로벌 모터 효율 표준(IE3 및 IE4 효율 등급을 정의하는 IEC 60034-30-1)의 강화로 인해 지난 10년 동안 고정자 적층 기술이 크게 발전했습니다.

• 고속 작동을 위한 얇은 라미네이션: EV 트랙션 모터는 점점 더 기본 속도 6,000~12,000RPM에서 최대 18,000~20,000RPM까지 약화 계자에서 작동하여 400~1,000Hz의 기본 전기 주파수를 생성합니다. 이러한 주파수에서는 50/60Hz 산업용 모터에 충분한 0.35mm 적층이 허용할 수 없는 코어 손실을 생성합니다. Tesla, BYD, BMW를 포함한 주요 EV 제조업체는 1차 견인 모터용 0.25~0.27mm 적층으로 전환했으며 일부 차세대 설계에서는 0.20mm를 사용합니다.
• 고실리콘 및 무방향성 등급: 1.5T, 50Hz에서 코어 손실이 2.5~3.5W/kg인 M250-35A 및 M270-35A(유럽 지정) 또는 35H270(JIS)과 같은 등급은 프리미엄 애플리케이션에서 1.5W/kg 미만을 달성하는 초저손실 등급으로 대체되고 있습니다. JFE Steel, Nippon Steel 및 Voestalpine은 실리콘 함량이 4.5%에 근접한 등급을 상용화했습니다. 이는 강철이 너무 부서지기 쉬워서 안정적으로 스탬프를 찍을 수 없는 실제 한계에 가깝습니다.
• 분할된 모듈식 고정자 설계: 권선 충진율을 개선하고 집중 코일의 자동 권선을 가능하게 하기 위해 일부 모터 설계에서는 분할된 고정자 코어(별도로 감겨진 다음 완전한 고정자 링에 조립되는 개별 치형 및 슬롯 세그먼트)를 사용합니다. 분할을 사용하면 연속 코어의 분산 권선의 경우 40~55%인 것과 비교하여 70~75%의 구리 충전율이 가능합니다.
• 축방향 자속 모터 아키텍처: 축방향 자속(팬케이크) 모터는 원통형 코어 대신 디스크 모양의 고정자 적층 스택을 사용합니다. 더 짧은 자속 경로와 단위 부피당 더 높은 토크 밀도는 직접 구동 및 인휠 모터 응용 분야에 매력적이며, 적층 형상(나선형 또는 분할 디스크 스택)은 기존 방사형 자속 설계와는 다른 스탬핑 및 성형 접근 방식이 필요합니다.

모터 고정자 적층의 품질 관리 및 테스트

완성된 고정자 코어의 자기 성능은 제조 손상(스탬핑 응력, 버, 용접 열 및 취급)으로 인해 원시 전기 강판의 특성에서 크게 벗어날 수 있습니다. 코어가 설계된 효율성을 제공하려면 각 단계의 엄격한 품질 관리가 필수적입니다.

• Epstein 프레임 테스트: 전기강판의 철손을 측정하기 위한 표준 실험실 방법(IEC 60404-2)입니다. 생산 코일에서 절단된 샘플은 스탬핑 전에 테스트되어 들어오는 재료가 사양을 충족하는지 확인합니다.
• 단일 시트 테스터(SST): 개별 시트 또는 스탬핑된 라미네이션의 코어 손실을 측정하여 스탬핑 후 검증이 가능합니다. 스탬핑 공정 자체에서 발생하는 추가 손실을 감지하는 데 유용합니다.
• 버 높이 측정: 자동화된 비전 시스템 또는 접촉식 프로파일로미터는 스탬핑된 라미네이션의 버 높이를 측정합니다. 버 높이가 0.05mm를 초과함 과도한 버(burr)가 층간 절연 및 적층 요소를 손상시키므로 거부 또는 재작업을 유발합니다.
• 스태킹 팩터 측정: 조립된 코어 스택의 무게를 측정하고 적층 면적, 개수 및 강철 밀도로부터 계산된 이론 중량과 비교합니다. 큰 편차는 비정상적인 버링, 코팅 두께 변화 또는 손상된 라미네이션을 나타냅니다.
• 층간 저항 테스트(프랭클린 테스트): 제어된 힘으로 코어 표면에 프로브 어레이를 눌러 인접한 라미네이션 사이의 전기 저항을 측정하는 표준화된 테스트(IEC 60404-11)입니다. 낮은 저항 값은 절연 코팅이 손상되었거나 불충분함을 나타내며 서비스 중 와전류 손실이 증가할 것으로 예측합니다.