고정자 및 회전자 전자기 시뮬레이션의 용접 및 인터록 모델링

다음과 같은 모터 모델을 사용해 본 적이 있다면 looked FEA에서는 완벽하지만 테스트 벤치 효율, 소음 또는 온도가 성가신 차이로 누락되었다면 용접과 인터록이 조용히 방해를 하고 있을 가능성이 높습니다. 레이저 용접 이음새, 인터로킹 다웰, 수축 맞춤 피처와 같은 작은 '제조' 디테일은 기하학적 구조가 시사하는 것보다 훨씬 더 자기 회로와 손실 그림을 재구성합니다. 연구에 따르면 용접 및 접합 공정만으로도 산업용 기계에서 고정자 코어 손실이 최대 10~20%까지 증가할 수 있으며, 절단, 접합, 수축 맞춤의 복합적인 영향으로 손실이 20~50%까지 증가할 수 있는 경우도 있는 것으로 나타났습니다.

• 이 글에서는
  • 용접/연동 번역 제조 현실 를 실제로 사용할 수 있는 EM 모델 입력으로 변환합니다.
  • 고정자 및 회전자 시뮬레이션에 용접/인터록을 포함하기 위한 여러 충실도 수준을 비교합니다.
  • 이러한 세부 사항이 손실, 토크 리플 및 NVH에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 이러한 세부 사항이 진정으로 중요한 시점을 보여줍니다.
  • 도구에 구애받지 않는 실용적인 워크플로우를 제공하여 Ansys Maxwell, JMAG, COMSOL, MagNet 등에 적용할 수 있습니다.

1. 용접과 인터록이 실제로 자기 회로에 미치는 영향

내부적으로는 라미네이트 코어 는 깨끗한 적층 절연과 매끄러운 B-H 곡선을 가진 아름답고 균일한 자기 경로처럼 작동하기를 원합니다. 용접과 인터록은 국부적으로 라미네이션을 짧게 만들고 소성 변형과 잔류 응력을 유발하며 자속과 와전류가 강철을 통과하는 방식을 변경하는 등 이러한 이상을 의도적으로 깨뜨리는 역할을 합니다.

• 물리적 수준에서는 용접과 인터록입니다:
  • 라미네이션을 전기적으로 연결를 사용하여 로컬 와전류 "링 회로"를 활성화하는 폐쇄형 전도성 루프를 생성합니다.
  • 잔류 응력 및 소성 변형률 도입를 사용하여 투과성을 저하시키고 히스테리시스 손실을 증가시킵니다.
  • 플럭스 경로 방해특히 요크와 치아 뿌리 근처에서 국소 포화도와 누출을 변화시킵니다.
  • 강성 및 댐핑 변경를 사용하여 전자기력이 진동과 소음으로 변환되는 방식을 변경합니다.

2. 일반적인 가입 방법과 EM의 의미에 대한 빠른 둘러보기

실제 모터에서는 일반적으로 용접, 인터로킹, 본딩 또는 기계적 압축의 조합을 볼 수 있습니다:

• 레이저/TIG 용접 스택 (고정자 및 회전자 요크).
• 기계식 연동 다웰 라미네이션으로 누릅니다.
• 접착식(백백/셀프 본딩) 라미네이션 스택.
• 리벳, 볼트, 수축 링 또는 주물(특히 대형 로터의 경우). 
• 전자기적으로:
  • 용접 및 인터록은 다음과 같은 경향이 있습니다. 핵심 손실 증가 국부적인 와류와 스트레스 유발 히스테리시스를 추가합니다.
  • 보세 스택은 단열재를 보존하고 왜곡을 최소화함으로써 종종 다음과 같은 이점을 제공합니다. 손실 및 소음 감소 용접 또는 연동 코어와 비교했을 때.
  • 잘라내어 결합하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 몇 배 더 높은 국부적 성능 저하 특히 잘린 가장자리와 다웰 영역 근처에서 버진 소재보다 더 많이 사용됩니다.

3. 기존 EM 모델이 용접 및 인터록에 어려움을 겪는 이유 3.

대부분의 모터 FE 모델은 가정합니다:

• 단일하고 균일한 B-H 곡선.
• 등방성, 균질화된 코어 손실 모델입니다.
• 완벽 라미네이션 단열 (관통 두께 전도성 없음).
• 잔여 스트레스 기록이 없습니다.

현실은 더 지저분합니다. 용접 및 연동 코어에 관한 논문을 보면 알 수 있습니다:

• 용접으로 인해 고정자 코어 손실이 증가할 수 있습니다. 10% 측정된 용접된 링 코어 데이터로 모델링한 37kW 유도 전동기의 경우.
• 연동 공정은 철 손실을 크게 증가시킬 수 있으며, 일부 테스트 형상에서는 연동으로 인한 열화가 펀칭 자체와 비슷하거나 더 클 수 있습니다.
• 절단 및 접합 코어의 경우 제조 성능 저하를 무시하면 다음과 같이 손실을 과소 예측할 수 있습니다. >50% 최악의 경우.
• 이는 일반적인 모델링 문제점으로 이어집니다:
  • 손실 과소 추정 (동력계보다 FEA에서 효율성이 더 좋아 보입니다).
  • 잘못된 핫스팟 위치 (로컬 손실 피크를 놓쳐 열 설계가 잘못됨).
  • 토크 리플 및 NVH 불일치 (시뮬레이션에서 뚜렷한 대응이 없는 측정된 노이즈 피크).
  • 혼란스러운 트레이드 오프 모델에서는 모든 결합 방법을 전자기적으로 동일하게 취급하기 때문입니다(예: 본딩과 용접).

4. 필수 입력 사항: 제조팀과 조기에 협의하기

실제로 알고 있는 것만 모델링할 수 있습니다. EM 모델을 구체화하기 전에 제조 또는 공급업체로부터 구체적인 데이터를 확보하는 데 시간을 투자하세요.

좋은 '사전 시뮬레이션' 대화는 적어도 명확하게 설명해야 합니다:

• 조인 기술 고정자 및 회전자에 대해
  • 용접 유형(레이저, TIG, 스폿) 및 패턴(개수, 길이, 위치).
  • 인터록 스타일(다웰 형상, 위치, 밀도).
  • 본딩/접착제 사용 여부(및 경화 온도).
• 재료 및 공정 데이터:
  • 강철 등급 및 코팅 유형(NOES 대 GOES, 단열 등급).
  • 다음에 대해 사용 가능한 모든 링 코어/엡스타인 데이터 처리됨 재료(절단 + 용접/연동).
  • 용접/연동 후 응력 완화 어닐링이 적용되었는지 여부.
• 허용 오차 및 패턴 가변성:
  • 용접 이음새 또는 인터록의 일반적인 위치 공차.
  • 알려진 '문제' 변형(예: 노이즈를 증가시키는 특정 인터록 패턴).
• 실제로 물어보세요:
  • "스택의 용접/인터록은 정확히 어디에 있나요?"
  • "프로세스가 로컬 자기 특성에 어떤 영향을 미치나요 - 테스트 데이터가 있나요?"
  • "동일한 고정자/회전자에 대해 비교할 수 있는 다른 결합 옵션이 있나요?"

5. 모델링 옵션: '충분함'에서 고충실도까지

문헌에 따르면 사람들은 일반적으로 용접과 인터록을 다룰 때 몇 가지 모델링 '레벨'에 속합니다. 비결은 설계 단계와 위험도에 맞는 레벨을 선택하는 것입니다.

다음은 디자인 치트 시트로 사용할 수 있는 간결한 비교표입니다:

• "경쟁에서 승리"하려고 할 때 일반적으로 최소한 다음과 같은 목표를 달성하려고 합니다. L1 안정적이고 L2 또는 L3 플래그십 모터에 적합합니다.

6. 실제 레벨 1: 용접 및 인터록을 위한 효과적인 재료 영역

L1의 핵심 아이디어는 간단합니다. 모든 작은 용접이나 인터록을 다시 그리는 대신, 영향을 미치는 영역에 "열화된 재료"를 페인팅하고 나머지는 FE가 처리하도록 하는 것입니다. 이 접근 방식은 거리 의존적 열화 모델을 도출하고 이를 요소 수준에서 직접 적용하는 절단 및 결합 효과에 대한 최신 연구에서 흔히 볼 수 있는 방식입니다.

• 실제 L1 워크플로우는 일반적으로 다음과 같습니다:
  • 1단계 - 가공된 재료 데이터 가져오기
    • 실제 고정자 적층으로 만든 링 코어를 용접되지 않은 것과 용접된 것, 인터로킹이 있는 것과 없는 것으로 측정합니다.
    • 각 사례에 대한 B-H 곡선과 코어 손실 계수를 추출합니다.
  • 2단계 - '유효 영역' 모델 구축
    • 용접/인터록이 있는 위치(예: 외부 요크 솔기, 중간 요크 다웰, 로터 폴 조인트)를 식별합니다.
    • 재료 속성이 수정되는 영역(예: 각 용접선 또는 다웰 주변 ±3~5mm)을 정의합니다.
  • 3단계 - 속성 확장
    • 측정값에 따라 이 영역의 투과성 및 코어 손실 계수를 조정합니다(예: +10-30% 로컬 손실, 약간 감소된 µ).
  • 4단계 - EM 시뮬레이션 다시 실행
    • 총 손실, 국부 손실 밀도, 토크 리플, 자속 분포를 평가합니다.
    • 가능한 경우 측정값과 비교합니다(예: 로터가 막힌 목업 고정자).

7. 레벨 2: 용접 및 인터로킹 다웰의 명시적 모델링

L2에서는 용접/인터록을 "그냥 또 다른 재료"로 간주하지 않고 실제로 그려야 합니다. 이 단계에서는 다웰 내부와 스택 표면을 따라 와전류 루프를 명시적으로 보여주는 연동 다웰의 3D FE 모델(및 여기에서 파생된 동등한 2D 모델)과 같은 작업을 재현합니다.

• 주요 모델링은 이 수준에서 움직입니다:
  • 중요한 곳에만 3D
    • 전체 360°로 바로 이동하지 말고 몇 개의 슬롯/폴과 세부적인 다웰/용접 이음새가 있는 3D 섹터 모델을 사용하세요.
    • 사실적인 와전류 경로를 원한다면 라미네이션 두께 방향을 유지합니다.
  • 강철, 용접 금속 및 다웰용 재료 분리
    • 용접 금속에 높은 전도도와 적절한 µ(포화 또는 주강에 가까운 경우가 많음)를 할당합니다.
    • 다웰을 라미네이션을 연결하는 별도의 영역으로 취급합니다.
  • 시간 종속성을 올바르게 해결
    • 이러한 기능의 코어 손실은 주파수에 민감하므로 타임 스테핑 또는 멀티 하모닉 솔루션을 사용합니다.
    • 드라이브 사이클의 경우, 주파수 의존적 유효 손실 기여도를 미리 계산하여 시스템 수준 모델에서 재사용합니다.
  • 결과를 2D로 백포트
    • 고비용의 3D 연구에서 '등가 손실 및 투과성 맵'을 도출하여 더 빠른 2D 시뮬레이션에서 L1 유형 머티리얼 패치로 구현할 수 있습니다.

8. 로터 관련 문제: 용접, 슬리브 및 케이지

로터는 고정자보다 더 조잡하게 모델링되는 경향이 있지만, 주변 속도가 높고 슬롯/극 조합이 국소 효과를 증폭시키기 때문에 용접과 조인트가 똑같이 중요할 수 있으며 때로는 더 중요할 수도 있습니다.

일반적인 로터별 결합 기능은 다음과 같습니다:

• 용접 또는 주조된 다람쥐 케이지 바 및 엔드 링.
• 용접된 폴 슈 또는 폴-요크 조인트 (현저한 극 기계의 경우).
• 자석 고정 슬리브 또는 축 방향 용접 라인 영구 자석 로터에
• 리벳/볼트 조인트 라미네이트 폴 어셈블리에서.
• 로터 용접 및 조인트를 모델링할 때 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다:
  • 와전류 브리지 로터 구리/철 손실 분할 및 케이지 가열에 영향을 미치는 용접을 통해 막대와 라미네이션 사이를 연결합니다.
  • 스큐 + 용접 상호 작용비뚤어진 슬롯 근처의 용접은 국부적인 자속 경로를 왜곡하고 토크 리플에 영향을 줄 수 있습니다.
  • 슬리브 및 수축 맞춤 스트레스이 완전히 결합되면 자석과 라미네이션 특성이 저하되고 공진이 이동할 수 있습니다.

9. 이론에서 클릭으로: 도구에 구애받지 않는 워크플로

어떤 EM 솔버를 사용하든, 좋은 용접/인터록 모델링 흐름은 유사한 백본을 따르는 경향이 있습니다.

"측정 → 축소 → 모델링 → 검증"이라고 생각하면 됩니다:

• 측정 / 수집
  • 링 코어/엡스타인 데이터를 수집합니다:
    • 기본 재료.
    • 컷 전용 샘플.
    • 절단 + 용접.
    • 잘라내기 + 연동(가능한 경우 다른 패턴으로).
  • 가능하면 권선 전에 부분적으로 조립된 고정자/회전자 코어의 코어 손실을 측정합니다(단시간 테스트 설정, 토로이달 여기 등).
• 모델로 축소
  • 맞춤 기능으로부터의 거리 열화 법칙: 예: 함수 µ(r), k_hyst(r), k_eddy(r) 대 용접선 또는 다웰 중심으로부터의 거리.
  • 인터록의 경우 다음에서 기여를 분리합니다:
    • 펀칭 변형.
    • 다웰 형성.
    • 다웰 조인팅/연결(단락 경로).
• EM FE의 모델
  • 고정자 및 회전자에 대한 2D/3D EM 모델에서 L1 패치(및 선택 사항으로 L2 지오메트리)를 구현합니다.
  • 커버하는 운영 지점을 실행합니다:
    • 정격 플럭스 및 주파수.
    • 과잉 플럭스 및 고주파 PWM 고조파(해당되는 경우).
• 유효성 검사 및 반복
  • 시뮬레이션된 무부하, 차단 로터, 부하 코어 손실 구성 요소를 테스트(또는 조립 전 코어 측정)와 비교합니다.
  • 코어 손실과 온도 측정값이 일관되게 일치할 때까지 물리적으로 합리적인 한도 내에서 성능 저하 계수를 조정합니다.

10. 용접/인터록 모델링이 설계 결정을 바꾸는 방법

용접과 인터록이 EM 모델에 포함되면 더 이상 '필요악'이 아닌 디자인 수단이 됩니다.

"용접 대 본딩 대 연동"을 순전히 기계적 또는 비용적인 결정으로 취급하는 대신 전자기 설계 변수로 볼 수 있습니다:

• 세부적인 모델링을 통해 가능합니다:
  • 결합 기술을 정량적으로 비교
    • 예: 연구에 따르면 본딩 고정자 코어는 동일한 설계의 용접 또는 인터록 코어에 비해 코어 손실을 최대 20~40%까지 줄이고 음향 노이즈를 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다.
  • 용접/인터록 패턴 최적화
    • 연동 다웰의 수를 최소화하거나 자속 밀도가 낮은 영역에 배치하여 기계적 강도를 유지하면서 추가 손실을 줄이세요.
  • 요크 두께와 용접 위치를 함께 조정합니다.
    • 일부 세그먼트 고정자 설계는 오정렬 및 조인트 배치에 더 민감한 얇은 요크를 사용하는데, FE 모델은 이 경우 코깅 토크가 증가하고 공진 주파수가 변경될 수 있음을 보여줍니다.
  • 로터 측 트레이드 오프 평가
    • 예를 들어 용접 케이지와 주조 케이지 중 하나를 결정하거나 리테이닝 슬리브 + 국부 용접을 추가하는 것이 로터 손실의 증가 가능성을 감수할 가치가 있는지 평가하는 경우입니다.
• 실제로는 다음과 같은 결정을 내릴 수 있습니다:
  • 고효율, 저소음 EV 트랙션 머신을 위한 연동에서 본딩으로 전환.
  • 인터록은 유지하되 더 적은 수의 다웰을 최적으로 배치하여 하우징 지지력을 강화합니다.
  • 기계적으로 꼭 필요한 경우에만 용접을 사용하고, EM 페널티가 높은 경우 응력 완화 어닐링을 추진합니다.

11. 루프 마무리: 검증, NVH 및 향후 방향성

궁극적으로 용접 및 연동 모델링은 더 예쁜 CAD를 그리는 것이 아니라 가상 프로토타입이 실제 기계처럼 작동하도록 하는 데 중점을 둡니다.

강력한 하이엔드 워크플로는 다음과 같은 경향이 있습니다:

• 하드웨어를 통한 단락 수준의 현실 점검
  • 조립 전 코어 손실 측정(링 코어, 고정자 전용 테스트).
  • 전체 모터 테스트: 무부하, 로터 차단, 부하 지점, 온도 상승 및 소음 측정.
• EM + 구조/NVH 커플링
  • 용접/인터록 인식 EM 모델을 사용하여 힘 고조파를 생성합니다.
  • 이를 구조 모델에 입력하면 또한 용접/연동 조인트와 그 강성/댐핑을 포함합니다.
  • 시뮬레이션 및 측정된 진동 스펙트럼을 비교하고, 용접/인터록 강성 및 EM 힘 모델링을 모두 세분화합니다.
• 데이터 기반 바로 가기
  • 더 많은 프로젝트가 누적되면 내부 대리 모델을 학습시킬 수 있습니다:
    • 특정 모터 제품군에 대한 "손실 페널티 대 용접 패턴".
    • "노이즈 페널티 대 인터록 밀도"
  • 이를 사용하여 자세한 FE를 진행하기 전에 가입 옵션을 빠르게 선별할 수 있습니다.
• 미래를 내다보는 연구는 이미 진행되고 있습니다:
  • 응력 결합 재료 모델 여기서 B-H와 손실은 로컬 역학장에 직접적으로 의존하며, EM 솔버에 통합되어 있습니다.
  • 자동화된 메시/프로퍼티 할당 를 프로세스 시뮬레이션에서 가져옵니다(예: "용접 FE에서 EM FE로 잔류 응력 가져오기").
  • 표준화된 성능 저하 라이브러리 를 사용하여 특정 강종 및 접합 공정에 맞게 조정할 수 있으므로 모든 프로그램에서 동일한 작업을 반복하지 않아도 됩니다.