PCB 고정자 적용 축 방향 자속 전동기의 손실 저감에 관한 연구 = Study on Loss Reduction in Axial Flux Motor Employing PCB Stator

국문 초록 (Abstract)

공유형 모빌리티, 전기차, 자율주행 기술 확산으로 차량 내 적용되는 전 기식 액추에이터의 수요는 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 빠른 응답 성과 소형·박형 구조를 동시에 요구하는 제어용 소형 구동기가 중요해지 고 있다. 이러한 요구 조건을 충족하기 위해 다층 구리 패턴 기반의 PCB 고정자를 적용한 슬롯리스 축 방향 자속형 영구자석 전동기(AFPM)는 높 은 전류밀도 운전, 제작 재현성, 초박형 구조 측면에서 유리한 대안으로 주목받고 있다. 그러나 PCB 권선은 표피효과와 근접효과로 인한 AC 손실 문제가 존재하며, 층간 연결을 위한 비아(Via)에서는 국부 전류 집중으로 인해 DC 손실이 크게 발생하는 구조적 한계를 갖는다. 본 연구에서는 PCB AFPM의 AC·DC 손실 특성을 정량적으로 분석하 고, 효율 향상을 위한 구조적 손실 저감 기법을 제안하였다. 먼저 레이어 폭 조정과 엔드턴 형상 변경과 같은 AC 손실 저감 기법을 적용하여 손실 변화를 평가한 결과, 일부 구조에서 AC 손실은 감소하였으나 유효 도체 단면 감소에 따른 DC 손실 증가로 인해 전체 효율 개선 효과는 제한적임 을 확인하였다. 반면, 비아 직경·개수·배치를 조정하는 멀티비아 기반 설계는 비아 영역의 국부 전류밀도를 효과적으로 완화하고 DC 손실 저감 에 직접적으로 기여함을 확인하였다. 이러한 분석 결과는 AC 손실의 절 대적 비중이 낮고 DC 손실이 지배적인 소형 PCB AFPM 구조에서는 AC 손실 저감 기법보다 DC 손실 저감을 우선적으로 고려해야 함을 보여준 다. 본 연구에서 제안한 멀티비아 설계 절차는 PCB 제작 공정 제약을 반 영한 실용적 기준으로서, 향후 전기식 액추에이터용 초박형 AFPM 설계에 적용 가능한 손실 저감 설계를 제안한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 4
• 제2장 PCB 축 방향 자속 전동기 구조 및 이론 6
• 2.1 축 방향 자속 전동기 구조 6
• 2.2 축 방향 자속 전동기 Touque 발생 원리 9
• 2.3 AFPM Type 비교 및 등가회로 12
• 2.4 PCB 축 방향 자속 전동기 특징 20
• 제3장 PCB 고정자 구조 및 PCB 모터 기초 설계 22
• 3.1 PCB AFPM 기존 모델의 구조 및 성능 22
• 3.2 PCB 고정자의 트레이스 및 비아 구조 25
• 3.3 PCB 고정자 엔드턴 구조 31
• 제4장 PCB 모터 손실 저감 설계 이론 33
• 4.1 AC 손실 발생 원리 33
• 4.2 AC 손실 저감 설계 기법 36
• 4.3 Single-Via의 전기적 특성 및 Multi-Via 설계 필요성 40
• 4.4 DC 손실 저감을 위한 Multi-Via 설계 기법 45
• 제5장 PCB 모터 손실 저감 설계 51
• 5.1 AC 손실 저감 설계 51
• 5.2 DC 손실 저감을 위한 Multi-Via 구조 최적화 설계 58
• 5.3 손실 및 효율 특성 평가 67
• 제6장 결 론 71
• 참고문헌 73
• ABSTRACT 77