축 방향 자속 전동기의 권선 방식 및 코어 적층 구조에 따른 종횡비별 전자기 성능 비교 연구 = A Comparative Study on Electromagnetic Performance according to Aspect Ratio based on Winding Methods and Core Lamination Structures in Axial Flux Motors

국문 초록 (Abstract)

최근 전기자동차, 로봇, 드론 및 산업용 구동 시스템과 같은 다양한 산업 분야에서는 제한된 공간 내에서 높은 출력밀도와 토크밀도를 동시에 만족할 수 있는 전동기에 대한 요구가 증가하고 있다. 축방향 자속형 영구자석 전동기는 디스크 형태의 구조를 기반으로 짧은 축 방향 길이와 높은 토크밀도 구현에 유리하여 차세대 고출력밀도 전동기로 주목받고 있으며, 전기자동차 구동 시스템, 인휠 모터 및 로봇 관절 구동 분야 등 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 축방향 자속형 전동기는 회전자와 고정자의 배치에 따라 단일 고정자 단일 회전자 구조, 단일 고정자 이중 회전자 구조 등으로 구분되며, 고정자 구조에 따라 슬롯형 구조와 슬롯리스 구조로 나눌 수 있다. 슬롯형 구조는 높은 전기장하를 확보할 수 있어 출력 및 토크 특성 측면에서 유리하지만, 코어 및 권선 공간으로 인해 일정 수준 이상의 축 방향 길이가 요구된다. 반면 슬롯리스 구조는 매우 얇은 축 방향 길이 구현에 유리하지만, 자기저항 증가와 전기장하 확보의 한계를 가지며, 특히 PCB 고정자를 적용할 경우 도체 형상에 따른 AC 손실 증가를 함께 고려해야 한다.

또한 축방향 자속형 전동기는 외경 대비 축 방향 길이 비율, 즉 형상비에 따라 구조별 성능 특성이 크게 변화한다. 따라서 AFM 설계에서는 단순히 특정 구조의 성능을 평가하는 것보다, 요구되는 설계 목적에 따라 어떤 구조가 어떤 형상비 영역에서 유리하게 적용될 수 있는지를 사전에 예측하는 것이 중요하다. 예를 들어 고출력이 중요한 경우, 높은 토크밀도가 요구되는 경우, 효율이 우선되는 경우, 또는 낮은 형상비의 박형화가 필요한 경우에 따라 적합한 구조와 불리한 특성이 달라질 수 있다.

그러나 기존 연구에서는 특정 구조에 대한 개별 성능 분석이 주로 수행되었으며, 다양한 형상비 조건에서 슬롯형 및 슬롯리스 구조를 동일한 기준으로 비교하고, 설계 목적별 적용 가능성과 한계를 체계적으로 정리한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 다양한 형상비 조건에서 슬롯형 및 슬롯리스 축방향 자속형 영구자석 전동기의 전자기적 특성을 비교 분석하였다. 슬롯형 구조에서는 단일 고정자 단일 회전자 구조와 단일 고정자 이중 회전자 구조를 적용하였으며, 슬롯리스 구조에서는 PCB 권선 구조를 적용하여 출력, 효율, 토크밀도 및 AC 손실 특성을 비교하였다.
이를 통해 각 구조가 출력, 토크밀도, 효율 및 박형화 측면에서 유리하게 적용될 수 있는 형상비 영역과 상대적으로 불리한 설계 조건을 도출하였다. 또한 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 시제품 제작 및 실험 검증을 수행하였다. 본 연구의 결과는 적용 목적과 설계 제약 조건에 따라 적합한 축방향 자속형 전동기 구조를 사전에 선정하고, 초기 설계 단계에서 구조별 성능 경향을 예측하는 기초 설계 지침으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 1
• 제 1절 연구 배경 및 필요성 1
• 제 2절 연구 내용 및 구성 5
• 제 2장 축 방향 자속 전동기의 기본 이론 7
• 제 1절 RFM 및 AFM의 토크 발생 원리 7
• 제 2절 AFM 구조 및 종류 별 특징 19
• 제 3절 슬롯형 AFM 과 슬롯리스형 AFM 23
• 제 3장 축 방향 자속 전동기 설계 조건 선정 50
• 제 1절 제작을 고려한 AFM의 설계 및 비교 조건 50
• 제 4장 종횡비별 전자기 성능 KPI 비교 분석 65
• 제 1절 종횡비별 AFM의 FEA 해석 결과 65
• 제 2절 결과 분석 및 제작 시험 78
• 제 5장 결 론 80
• 참고 문헌 82
• Abstract 86