철 손실이 BLDC 모터 선택에 직접적으로 미치는 영향
엔지니어는 다양한 산업과 시장 전반에서 중요 장치 및 응용 제품의 성능, 효율성 및 소형 디자인을 지속적으로 개선하기 위해 노력한다. 혁신을 획기적으로 발전시키고 필수 구성 요소의 성능과 효율성을 지속적으로 발전시키는 것이 목표이기 때문이다. 이러한 목표는 많은 사람들의 삶을 구하고 개선하 고 향상시키는 데 매우 중요한 초소형 전기 모터 분야에 특히 해당한다. 모터 성능의 한 가지 주된 측면은 기계력과 전자력의 비율로 정의되는 효율성이다.
η = 기계력 / 전력
효율성은 모터의 가열과 소비 전력에 직접적인 영향을 미치 기 때문에 가용 공간을 최대한 활용하기 위해 세심한 주의를 기울여 선택해야 한다. 이 기사에서는 BLDC 모터의 효율성 및 손실과 모터 설계 및 선택 절차에서 효율성 및 손실이 어떤 방식으로 핵심적인 역할을 하는지 살펴보도록 하겠다.
BLDC 모터의 다양한 손실
BLDC 모터의 목적은 전력(U*I)을 기계적(T*ω)으로 변환하 는 것이다. 그러나 모터는 100퍼센트 완벽할 수 없기 때문에 전기력을 기계력으로 변환하는 과정에서 3가지의 주된 손실 유형인 마찰 손실, 구리 손실 및 철 손실이 발생한다.
전기력 – (마찰 손실 + 구리 손실 + 철 손실) = 기계력
• 마찰 손실: 마찰 손실은 볼/부시 베어링에 의해 발생하며 시스템 사용(속도, 하중, 가속) 및 환경(온도, 먼지 등) 뿐만 아 니라 재료, 마모, 윤활 및 실링을 비롯한 베어링의 본질적 매 개변수에 따라서도 달라진다.
• 구리 손실: 구리 손실은 줄 손실이라고도 하며, 코일의 저항에 의해 발생한다. 토크는 전류에 선형적으로 정비례하므로 (T=k*I) 모터가 더 큰 토크를 제공할수록 구리 손실이 더 높 게 발생한다. 이 현상은 아래 이차 함수를 따른다.
구리 손실 = R * I²
모터가 가열되면 저항이 증가하여 아래 방정식에 따라 효율이 감소한다.
R = R (1 + γ. ΔTemp)
(*R0: 주변 저항(Ω) 값(데이터시트에 제공) γ: 구리의 0.004/°C의 저항 계수 )
• 철 손실: 철 손실은 오해하기 쉬울 수 있지만 모터 성능에 상당한 영향을 미친다. 손실은 재료에 대한 자속 변동의 주파수에 따라 크게 달라져서 모터 회 전이 빠를수록 손실이 더 크게 발생한다.
이 현상을 더 잘 이해하기 위해 작은 실험을 수행 할 수 있다. 자석을 약간의 강자성(구리 또는 알루미늄) 튜브로 던지면 떨어지는 자석의 속도가 예상보다 훨씬 느린 현상을 관찰할 수 있다. 튜브를 플라스틱으로 교체하거나 자석을 크기와 중량 이 같은 금속 조각으로 교체하여 이를 비교할 수 있다.
이런 현상이 일어나는 이유는 무엇일까? 렌츠의 법칙에 따르면 자석이 튜브를 통과하 여 떨어질 때 자기장이 변화하여 전류를 발생시키는 변화의 반대 방향 으로 전류 흐름이 유도된다. 이 때문에 자석 속도가 느려진다.
렌츠의 법칙 : 유도 EMF = - (ΔΦ/Δt )
(ΔΦ/Δt ) = 자속의 변화율
철 손실은 두 가지 현상에 의해 생성된다.
⇒ 와류(Eddy current) : 패러데이의 법칙에 따르면 자기장이 도체에 적용되면 이를 통해 전류가 발생한다. 그리고 재료에는 특정한 전기 저 항이 있기 때문에 일부 손실이 발생한다(R*I²).
와전류 손실= RI≅C. B . f . t . V RI
(*C는 모터 설계와 재료에 종속된 상수 B는 재료의 자기장(T)
f는 초당 자기 역전의 주파수(Hz) t는 재료의 두께(m)
V는 도체의 부피(m³) )
이전 공식을 사용하여 이러한 와전류 손실에 큰 역할을 담당하는 매개 변수를 확인할 수 있다(그림3). 자기장 역전의 주파수가 모터의 속도만큼 실질적인 영향을 미친다는 것은 놀라운 일이 아니다. 자기 장의 강도와 재료의 두께 역시 중요한 역할을 한다. 재료의 두 께가 미치는 영향을 줄이는 효과적인 방법은 핵심 재료를 라 미네이션하는 것이다.
이렇게 하면 전류가 이동할 경로가 작 아져서 하나의 큰 전류 대신 여러 개의 작은 전류로 분할된다. 손실은 전류의 제곱 값으로 발생하므로 이는 매우 효과적이다(t/2 => i/2 => 와전류/4).
한 가지 유념할 점은 2개의 라 미네이션 사이를 흐르는 전류를 피하기 위해서는 각 라미네 이션이 코팅을 통해 서로 절연되어야 한다는 것이다.
⇒ 이력현상(Hysteresis): 자속이 강자성 재료로 역전되면 재 료가 자화되고 자기 소거되어 에너지 손실이 발생한다. 자속 밀도를 제거하려면 반대 자속을 제공하여 보자력 지점을 통 과해야 한다.(그림4)
이러한 손실은 주로 회로의 자기 유도에 따라 좌우되지만 재 료 특성(예를 들어, 투자율과 부피)과 자속 변동의 주파수에 의해서도 달라진다. 이 때문에 적합한 속도를 위한 적절한 재료를 선택하는 것이 중요하다. 스타인메츠 방정식은 이러한 이력현상 손실을 계산하고 각 매개 변수의 영향을 효과적으 로 이해하는 데 도움이 된다.
이력현상 손실 = k * V * f * B
*k 재료에 따른 상수 / V 자기 회로의 부피(m³)
f 자기장의 주파수(Hz) / B 자기 회로의 최대 유도(T) / n 재료에 따른 계수(1.6~2 사이)
고성능 달성을 위한 다양한 전기 모터 설계
전기 모터에서 발생하는 다양한 손실은 모터 설계에 따라 모 터가 특정 온도를 초과할 경우 연소될 수 있으므로 최대 전력을 제한한다. 다시 말해서 특정한 작동점(토크 및 속도)에 따라 적절한 모터를 선택하는 것이 매우 중요하다. 줄 손실은 주 로 토크 생성 시 발생하고 철 손실은 일반적으로 높은 속도에 서 발생한다. 이 때문에 주어진 모터에서 가능한 최대 연속 토 크는 속도 증가 시 줄어든다.(그림5)
폴 수의 영향
자석의 폴 수를 바꾸면 모터 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 긴 모터에는 폴이 2개이고 고속에서 작동할 수 있 다. 그러나 폴 수를 늘리면 모터의 최대 토크가 증가하고 철 손실도 커지므로 최대 연속 속도가 줄어든다.
철 손실은 유사 한 속도에서 자속 변동의 주파수에 크게 좌우되기 때문에 폴 수를 늘리면 한 번의 모터 회전에서 변동 수가 증가한다. 와전 류 손실의 경우 증가한 주파수의 제곱으로 발생하여 모터의 효율성을 빠르게 감소시킬 수 있다. 모터의 출력 곡선은 손실을 포함하여 25°C의 공기에서 모 터의 연속 작동의 한계를 보여준다.
<그림6>에서는 패키지 가 동일하지만 한 개 모터에는 폴이 2개이고 두 번째 모터에 는 폴이 4개인 Portescap 모터 2개를 비교한다. 4개 폴 모터 (22ECT60 – 토크 최적화)는 2개 폴 모터(22ECS60 – 속도 최적화)에 비해 토크 기능을 빠르게 상실하는 동시에 속도가 증가하는 것을 명확히 볼 수 있다.
결론
전기 모터를 선택할 때 모터의 한계는 열이므로 다양한 손실 을 고려하는 것이 중요하다. 철 손실은 특히 높은 속도에서 또는 다극 높은 토크 디자인에서 모터 효율성에 핵심 역할을 한다. 줄 손실과 철 손실 간 비율을 최적화하면 에너지가 보존되 고 개선된 장치를 개발할 수 있다.
Portescap 관계자는 “이러한 특성을 철저하게 이해하고 성능이 높고 손실은 감소된 모터를 설계하기 위해 각별히 주의를 기울인다. 하나의 설계가 모든 응용분야에 적합한 것은 아니므로 Portescap 팀은 중요한 작동점을 가지고 장치와 응용 분야를 다루는 다양한 모터 기술 포트폴리오를 개발하기 위해 노력하고 있다”고 말했다.
자료제공: Portescap (www.portescap.com)
