모터 코어 101: 고정자 대 회전자, 슬롯, 톱니 및 백 아이언

모터의 컷어웨이를 보고 '멋지지만...'이라고 생각한 적이 있다면 정확히 내가 보고 있는 것은 무엇인가요?' - 이 가이드는 여러분을 위한 것입니다.

대부분의 사람들은 모터에 대해 다음과 같은 관점에서 이야기합니다. 자석, 구리 및 컨트롤러. 그러나 조용히 모터 코어 - 고정자, 회전자, 슬롯, 톱니, 백 아이언 등을 결정합니다:

• 실제로 얻는 토크의 양
• 소음 또는 부드러움의 정도
• 얼마나 뜨겁게 작동하고 얼마나 오래 지속되나요?

페인트와 플라스틱 아래에는 강철, 구리, 약간의 공기가 매우 의도적으로 배치되어 있습니다.

• 이 가이드에서 얻을 수 있는 이점
  • 명확합니다, 시각적 "고정자", "로터", "슬롯", "이빨", "백 아이언"이 실제로 무엇을 의미하는지에 대한 정신적 모델입니다.
  • 이러한 형상이 토크, 소음, 효율성 및 비용을 어떻게 조정하는지에 대한 이해
  • 모터 공급업체 또는 설계 엔지니어와 지능적인 대화를 나눌 수 있는 충분한 어휘력 확보
  • 모터 코어를 선택하거나 지정할 때 고려할 수 있는 간단한 '노브'

1. 고정자 대 회전자: 기본 그림

가장 간단하게 설명하자면, 전기 모터는 두 개의 강철 고리 사이에 작은 간격이 있는 것입니다:

• 그리고 고정자 (고정된 외부 링)은 구리 권선을 고정하고 전원이 공급되면 회전 자기장을 생성합니다.
• 그리고 로터 (회전하는 내부 링)은 고정자 내부에 위치하며 그 필드에 의해 끌려 다니며 전력을 샤프트의 기계적 토크로 변환합니다.

고정자 및 회전자 코어는 모두 다음에서 제작됩니다. 얇은 라미네이션 의 전기 강철(일반적으로 실리콘 합금 강철)을 매우 단단한 책처럼 쌓아 올렸습니다. 이 적층은 와전류와 히스테리시스로 인한 손실을 크게 줄이며, 최신 모터 코어는 종종 램 두께를 0.1-0.5mm 범위입니다.

고정자와 회전자 사이의 유명한 '에어 갭'은 작지만 개념적으로는 매우 큰데, 이를 조금 더 크게 또는 작게 만들면 고정자가 자속을 끌어당기기 위해 얼마나 열심히 일해야 하는지에 따라 효율, 토크, 때로는 음향 소음에 영향을 미칩니다.

다음은 한눈에 비교하여 기억에 남을 수 있도록 정리한 것입니다:

• 고정자 대 회전자: 핵심 멘탈 모델
  • 고정자 = "필드 조각가"모양 어디 자기장이 이동하고 얼마나 강한가 이빨, 슬롯 및 백 아이언의 기하학적 구조에 의한 것입니다.
  • 로터 = 필드를 움직임으로 전환하는 '팔로워'지오메트리가 다음을 결정합니다. 얼마나 충실하게 를 입력하면 해당 필드(토크 리플, 슬립, 손실, 데마그 마진)를 따릅니다.
  • 다음과 같이 생각할 수 있습니다. 고정자 설계 주로 만들기 좋은 필드, 그리고 로터 디자인 약 수확 해당 분야를 안전하고 효율적으로 관리할 수 있습니다.
  • 고정자 형상 변경 ⇒ 토크 리플, NVH 및 효율을 자주 변경합니다. 로터 형상 변경 ⇒ 피크 토크, 자석/로터 손실 및 기계적 한계를 자주 변경합니다.

2. 슬롯과 톱니: 구리와 강철이 만나는 곳

모터 코어를 도넛처럼 잘라보면 고정자나 회전자 모두 매끄러운 링이 아니라는 것을 알 수 있습니다. 이들은 "기어 모양"이며, 반복되는 치아 그리고 슬롯 둘레를 둘러싸고 있습니다.

• 치아 는 강철의 방사형 돌출부입니다.
• 슬롯 는 구리 도체가 있는 톱니(고정자) 또는 로터 바/자석이 있는 톱니(회전자) 사이의 틈새입니다.

왜 이렇게 복잡한 모양으로 귀찮게 하나요?

치아는 두 가지 매우 중요한 역할을 하기 때문입니다:

1. 그들 농축 플럭스 에어 갭 근처에서 중요한 곳에 자기장을 더 강하게 만들어 단위 구리당 토크와 백-EMF를 높입니다.
2. 그들 권선 또는 자석 고정 를 반복 가능한 형상으로 만들어야 하며, 이는 원활한 작동과 제조 가능성을 위해 매우 중요합니다.

그러나 같은 치아라도 꺼림칙한 변화 로터가 회전함에 따라 자기 "울퉁불퉁한 도로"가 됩니다. 코깅 토크 관리하지 않으면 토크 리플이 발생합니다.

• 키 고정자 슬롯 및 톱니 디자인 "노브"
  • 슬롯 수(Q)
    • 더 많은 슬롯: 더 부드러운 토크, 더 낮은 코깅, 더 나은 파형 형성, 더 복잡한 와인딩 및 더 높은 제조 비용.
    • 슬롯 수가 적을수록 더 간단하고 저렴하지만 토크 리플과 음향 소음이 커질 수 있습니다.
  • 슬롯/폴 조합(예: 12초/10p, 9초/6p)
    • 결정 위상당 극당 슬롯(Q)는 권선 계수, 코깅 토크, 에어 갭 필드의 고조파 함량에 큰 영향을 미칩니다.
  • 슬롯 모양(개방형, 반폐쇄형, 완전 폐쇄형)
    • 개방형 슬롯: 감기 쉽고, 누수율이 높으며, 잠재적으로 더 높은 코깅이 발생할 수 있으며, 더 저렴한 경향이 있습니다.
    • 반폐쇄형: 많은 산업용 모터에 적합한 절충안입니다.
    • 닫힘 또는 거의 닫힘: 누출이 적고 소음이 적을 수 있지만 바람과 냉각이 더 어렵습니다.
  • 치아 너비 및 높이
    • 더 넓은 톱니 → 더 많은 플럭스 용량, 포화 가능성은 줄어들지만 슬롯에 구리가 들어갈 공간은 줄어듭니다.
    • 톱니가 클수록 → 레이아웃에 도움이 될 수 있지만 플럭스의 경로 길이가 길어지고 기계적 강성이 손상될 수 있습니다.
  • 슬롯 라이너 및 단열 전략
    • 더 높은 전압에서 구리 충전율, 열 경로 및 부분 방전 마진에 직접적인 영향을 미칩니다.

3. 로터 슬롯과 톱니: 미묘하지만 강력한 성능

로터의 기하학적 구조도 마찬가지로 영향을 미칩니다. 너무 빨리 회전해서 쳐다볼 수 없을 정도로 빠르게 회전하더라도 마찬가지입니다.

In 인덕션 모터로터 슬롯은 유도 전류를 전달하는 전도성 막대("다람쥐 케이지"를 형성)를 고정합니다. In 영구 자석 기계(PMSM/BLDC)는 종종 내부 영구 자석(IPM) 설계에서 자석의 위치 또는 플럭스 브리지의 위치를 정의합니다.

로터 슬롯과 톱니가 영향을 미칩니다:

• 플럭스가 에어 갭을 통과하여 로터 코어에 퍼지는 방식
• 시동 토크와 효율성의 트레이드 오프(인덕션 기계의 경우)
• 자석이 고조파 및 자화 펄스에 노출되는 정도(PM 기계의 경우)

로터 라미네이션고정자 적층과 마찬가지로 얇은 전기 강철을 신중하게 선택한 등급과 두께로 적층하여 코어 손실을 최소화하면서 속도에 따른 기계적 응력을 견딜 수 있도록 합니다.

• 중요한 로터 측 디자인 레버
  • 슬롯 수 대 고정자 슬롯 수
    • 특정 고정자/회전자 슬롯 조합은 바람직하지 않은 "슬롯 고조파"와 토크 리플 또는 노이즈를 유발합니다. 현명한 선택은 일반적인 공진 패턴을 피합니다.
  • 로터 슬롯 모양(딥, 비스듬한, 반폐쇄형)
    • 인덕션 모터의 깊고 기울어진 슬롯은 시동 토크를 개선하고 소음과 토크 리플을 크게 줄이지만 효율성은 다소 떨어집니다.
  • 자석 배치(표면 대 내부)
    • 표면 장착형 자석: 더 간단하고 토크 밀도가 높지만 일반적으로 속도에 따른 기계적 응력의 위험이 높습니다.
    • 내부 자석: 더 나은 필드 형성, 넓은 정전력 속도 범위, 높은 RPM에서의 기계적 억제, 그러나 더 복잡한 램 지오메트리.
  • 플럭스 배리어 및 브리지(IPM 모터)
    • 로터 코어 스티어 플럭스의 공극을 세심하게 설계하여 토크가 주로 릴럭턴스와 자석 토크에서 함께 발생하도록 합니다. 이러한 모양의 작은 변화는 성능과 소음에 큰 차이를 만들 수 있습니다.
  • 속도에 따른 기계적 마진
    • 구멍 패턴, 키홈, 자석 포켓, 스큐는 모두 유효 단면을 감소시켜 강도를 떨어뜨리므로 로터 설계는 항상 자기 성능과 버스트 속도 마진 사이의 균형을 유지해야 합니다.

4. 백 아이언(멍에): 자기 회로의 조용한 중추

"백 아이언" 또는 yoke 은 에어 갭에서 떨어진 치아 뒤쪽의 강철 고리입니다. 자속이 돌아오는 경로입니다:

1. 필드는 고정자 톱니를 떠나 에어 갭을 가로질러 로터를 통과합니다,
2. 로터 백 아이언을 통해 반환합니다,
3. 다른 치아에서 다시 에어 갭을 가로지릅니다,
4. 그런 다음 고정자 백 아이언/요크 를 클릭하여 루프를 완료합니다.

좋은 백 아이언 디자인은 다음과 같습니다. 방해가 되지 않음 의 플럭스입니다:

• 너무 얇음 → 자속 밀도가 높아지고, 강철이 포화되고, 토크가 전류에 따라 스케일링되지 않고, 손실이 급증합니다.
• 너무 두껍다 → 별다른 이득 없이 여분의 강철과 비용을 들고 다니게 됩니다.

고정자 백 아이언은 종종 두 가지 역할을 하기 때문에 기계식 프레임 및 장착 표면의 형상은 자기, 기계 및 열 요구 사항을 동시에 충족해야 합니다.

• 백 아이언: 주의해야 할 사항
  • 플럭스 밀도 목표
    • 많은 설계는 토크 성능과 손실의 균형을 맞추는 밴드에서 백철 자속 밀도를 유지하는 것을 목표로 합니다(강철 등급 및 용도에 따라 ~1.2~1.7T 범위에서 주로).
  • 고부하 치아 아래의 국소 "핀치 포인트"
    • 토크가 높은 영역(예: 집중된 와인딩)은 특정 치아 바로 아래에 국부적인 포화 상태를 만들 수 있지만 나머지 요크는 괜찮습니다. FEA는 이를 빠르게 파악하는 경향이 있습니다.
  • 분할 하우징 및 조립 기능
    • 볼트 구멍, 리브, 케이블용 컷아웃, 냉각 통로 등은 모두 백철 단면을 먹어치우므로 주 플럭스 루프가 막히지 않도록 배치해야 합니다.
  • 자석 아래 로터 백 아이언
    • PM 기계에서 로터 백철은 자석이 낮은 반사 경로를 "볼 수 있을 만큼" 충분히 두꺼워야 하며, 너무 얇으면 자석이 로터를 포화시켜 자석 전위가 낭비되고 고장 조건에서 자화가 발생할 위험이 있습니다.

5. 하나의 전기 사이클: 고정자, 회전자, 슬롯, 톱니 및 백 아이언이 함께 작동하는 방식

한 번의 전기 사이클 동안 3상 PM 모터를 매우 단순화한 멘탈 애니메이션을 살펴보겠습니다:

하나의 고정자 치아. 그 주위의 양쪽 슬롯에는 어떤 상에 속하는 구리가 있습니다. 해당 상에 전원이 공급되면

• 코일에 전류가 흐르면서 이빨이 강력한 전자석으로 변합니다.
• 플럭스는 톱니 면을 떠나 에어 갭을 통과하여 로터 자석 또는 톱니로 들어가 로터 코어/백 아이언으로 퍼지고 다른 톱니와 고정자 백 아이언을 통해 다시 돌아옵니다.

이제 3단계 순서대로 발화합니다. "어느 치아에 전원이 공급되는지" 패턴이 고정자를 중심으로 회전합니다:

• 로터 자석에게 이것은 마치 회전 자기장.
• 로터는 이 회전 필드를 따라가려고 하는데, PM 기계에서는 작은 슬립으로 고정하고 인덕션 기계에서는 약간의 슬립으로 추격합니다.

토크의 강도와 부드러운 회전감, 코어가 얼마나 뜨겁게 작동하는지 등 세부 사항은 모두 설정에 의해 결정됩니다:

• 치아 면이 포화되기 전에 치아 면적이 얼마나 되는지
• 슬롯 모양과 슬롯/극 조합이 필드에서 고조파를 형성하는 방법
• 백 아이언의 두께와 리턴 플럭스를 얼마나 잘 전달하는가?

• 주기별 이벤트 시퀀스(단순화)
  • 위상 A의 톱니가 강하게 여기 → 해당 톱니와 해당 로터 영역을 통해 플럭스가 피크에 도달합니다.
  • 전류가 회전(A→B→C)하면서 인접한 톱니가 이어받아 고정자 원주 주위로 자속의 '핫스팟'이 이동합니다.
  • 로터의 자석 또는 케이지 도체는 회전장 벡터를 보고 그 벡터에 정렬하려고 토크를 발생시킵니다.
  • 각 순간마다 일부 톱니와 요크 영역은 포화 상태에 가깝고 다른 영역은 가볍게 로드되며, 패턴은 슬롯, 톱니 및 백아이언 형상에 따라 크게 달라집니다.
  • 여러 사이클에 걸쳐 치아와 백철의 손실(히스테리시스, 와전류)이 열로 전환되는데, 이를 최소화하면서도 제조가 가능하도록 라미네이션 두께와 강종을 선택해야 합니다.

6. 이러한 지오메트리 선택이 실제 세계에서 어떻게 나타나는가?

이 모든 것이 실제로 모터에서 경험하는 것과 연결되기 전까지는 추상적으로 느껴질 수 있습니다:

• 토크 밀도단위 크기/무게당 얼마나 많은 토크를 얻을 수 있습니까?
• NVH(소음, 진동, 거칠음)얼마나 "징징거리거나" "삐걱거리는" 느낌?
• 효율성 및 범위 (전기차, 로봇 공학, 배터리용)
• 열 헤드룸 및 신뢰성

제조업체는 슬롯, 톱니, 백 아이언을 조용히 조정하여 원하는 절충점을 찾아냅니다.

예를 들어

• 슬롯/폴 조합이 좋은 더 좁은 톱니(더 많은 슬롯 수)는 극적으로 코깅 토크 감소 및 음향 소음.
• 고급 라미네이션 스틸과 더 얇은 램 스택을 사용하면 다음과 같은 비용을 절감할 수 있습니다. 핵심 손실특히 고주파(높은 전기 속도)에서 효율성이 향상됩니다.
• 로터 슬롯 형상 또는 자석 배치를 세심하게 최적화하면 더 평평한 효율성 대 속도 커브 또는 그 이상의 사용 가능한 상수 전력 영역입니다.

• 원한다면... 코어 지오메트리는 다음과 같은 방향으로 기울어져야 합니다.
  • 저소음 작동(예: 프리미엄 가전제품, 전기 자전거)
    • 코깅을 최소화하는 부분 슬롯/극 조합으로 더 많은 고정자 슬롯 수를 제공합니다.
    • 토크 리플 고조파를 없애기 위해 로터 슬롯 또는 자석을 비뚤어지게 만듭니다.
  • 강력한 저속 토크(예: 산업용 드라이브, 오프로드 전기차)
    • 고전류에서 포화를 방지하기 위한 넉넉한 톱니 및 백철 단면.
    • 과열 없이 높은 토크를 유지하도록 최적화된 자석 또는 로터 바 형상.
  • 초고속(예: 스핀들, 터보 컴프레서)
    • 세심하게 제어된 질량과 강력한 봉쇄력을 갖춘 로터(IPM 또는 매립형 자석, 로터 백철의 작은 '구멍').
    • 고정자 슬롯은 높은 전기 주파수에서 손실과 스트레스를 관리할 수 있도록 설계되었습니다.
  • 저렴한 비용과 간편한 제조
    • 적당한 슬롯 수, 단순한 슬롯 모양, 좋지만 이색적이지는 않은 라미네이션 등급.
    • 스테이터와 로터는 스크랩을 최소화하고 쉽게 쌓을 수 있도록 설계되었습니다.

7. 모터 공급업체에 문의해야 할 질문( 정말 코어 이해)

설계 검토에서 매우 유능한 사람으로 보이기 위해 FEA를 실행하는 사람이 아니어도 됩니다. 고정자, 로터, 슬롯 및 백 아이언에 대한 몇 가지 적절한 질문만 잘 던져도 "kW와 RPM" 이상의 것을 생각하고 있다는 것을 즉시 알 수 있습니다.

• 실용적인 기하학 중심 질문
  • "뭐 슬롯/폴 조합 사용하고 있으며, 코깅 토크 및 고조파와 관련하여 어떻게 선택하셨나요?"
  • "뭐 라미네이션 등급 및 두께 고정자와 회전자에 사용하며, 작동 속도에서 코어 손실에 어떤 영향을 미치나요?"
  • "목표가 무엇인가요? 플럭스 밀도 정격 토크에서 고정자 톱니와 백 아이언의 포화 상태는? 포화 상태에 가장 가까운 곳은 어디입니까?"
  • " 로터 비뚤어짐? 그렇다면, 슬롯 피치는 몇 개이며 토크와 NVH 사이에서 어떤 절충점을 찾았습니까?"
  • "어떻게 관리하시나요? 열 경로 최대 부하 시 코어에 알려진 핫스팟이 있나요?"
  • "어떤 종류의 FEA 검증 장착 기능이나 냉각 채널 근처의 요크에서 국부 포화 상태를 확인했습니까?"
  • "+10% 피크 토크를 요구한다면, 톱니, 슬롯, 백 아이언, 로터 중 어디에 먼저 설계 병목 현상이 발생하겠습니까?"

8. 마무리하기

전기 모터의 본질을 벗겨보면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다:

• 적층 강철로 된 두 개의 링
• 패턴 슬롯 및 치아 구리와 플럭스를 안내하는
• A 백 아이언 자기 루프를 조용히 닫는 구조

하지만 이러한 링과 톱니가 배열되는 방식에 마술과 경쟁력이 숨어 있습니다.

• 고정자: 회전 필드를 형성하고 대부분의 구리를 운반합니다.
• 로터는 해당 필드를 기계적인 작업으로 바꾸고 자석이나 막대를 고정합니다.
• 슬롯 및 치아토크가 얼마나 깨끗하게 생성되는지, 모터의 소음이 얼마나 큰지 결정합니다.
• 백 아이언는 플럭스가 얼마나 편안하게 흐르고 포화 가장자리에 얼마나 가까이 도달했는지를 결정합니다.