SRM 적층 스택: 이빨 모양 및 소음 저감

제어 기법과 마케팅을 배제하면, SRM의 음향적 문제 대부분은 단순한 사실로 귀결됩니다: 라미네이션 스택 얇은 울림 껍데기처럼 행동하며, 치아 형상이 어떤 힘 고조파가 그 껍데기에 가장 강하게 충격을 주는지를 결정합니다. 이 두 부품을 하나의 결합된 설계 문제로 다루면, 일반적으로 토크나 효율을 크게 희생하지 않고도 소음 감소를 몇 데시벨 정도 확보할 수 있습니다.

라미네이션 스택이 진정한 스피커이다

4상 SRM에 대한 기존 진동 연구에서도 이미 주요 공기소음은 로터나 하우징 자체에 의한 것이 아니라 고정자 적층 스택의 변형에 의해 발생한다는 사실이 밝혀졌다. 이빨 표면에는 강한 방사형 전자기력이 작용하며, 이러한 힘은 적층된 적층판의 링 모드와 국부 이빨 모드를 유발하여 강철이 매우 효율적인 음향 방사체로 변모한다.

최근의 다중물리 연구는 이를 반경 방향 힘의 시공간 스펙트럼과 연결합니다. 치력(tooth force)은 공기 틈새 주변의 공간적 차원과 스위칭 주파수 및 기계적 속도에 연동된 시간적 차원으로 분해될 수 있습니다. 반경 방향 힘의 시간적 차원이 고정자에서 동일한 공간 패턴을 가지는 구조 모드와 일치할 때 진동이 급증합니다. SRM에서는 이 현상이 주로 원주 방향의 (3N₀ ± 1)차 힘 고조파에서 발생하며, 이는 속도에 거의 영향을 받지 않는 뚜렷한 노이즈 피크로 나타난다.

따라서 모두가 일반적으로 "SRM 노이즈"에 대해 이야기하지만, 라미네이션 및 이빨 수준에서의 작업은 더 정밀합니다. 가장 강한 고조파가 민감한 구조 모드에서 벗어나거나 충분히 분산되어 더 이상 어떤 모드도 효율적으로 구동하지 못하도록 방사형 힘 분포를 재구성하려는 것입니다.

NVH를 조용히 지배하는 라미네이션 스택의 기본 원리

디자이너들은 일반적으로 포화도와 열적 이유로 요크 두께, 스택 길이, 프레임 핏을 초기에 고정시킨 후 발생하는 음향적 특성을 그대로 수용합니다. 이는 편리하지만 많은 개선 가능성을 숨기고 있습니다.

고정자 진동에 대한 연구 결과, 요크 두께와 적층 길이는 주요 원주 진동 모드를 수백 헤르츠 단위로 이동시키는 것으로 나타났다. 두꺼운 요크는 고유 진동수를 상승시켜 특히 고속 기계에서 최악의 모드를 주요 전자기 구동 대역 위로 밀어낼 수 있다. 동시에, 적층판이 프레임에 고정되거나 접합되는 방식은 감쇠와 경계 조건을 제어한다. 단단한 수축 피팅 쉘에 엔드 플레이트를 적용한 경우와 타이 로드로 고정된 느슨한 스택은 매우 다른 모드 형상을 나타낸다.

치형 설계 시 이는 중요한데, 추상적인 주파수를 대상으로 설계하는 것이 아니라 특정 적층 어셈블리의 실제 모드 맵을 대상으로 설계하기 때문입니다. 적층 구축 방법을 변경하면 정교하게 조율된 치형 끝부분이 갑자기 다른 모드 집합으로 에너지를 전달할 수 있습니다. 따라서 조립된 고정자 모달 모델을 무시하는 "치형 기하학적 최적화"는 하드웨어를 구축하면 실망스러운 결과를 초래하는 경향이 있습니다.

치아 기하학 구조를 스펙트럼 필터로 활용

스택 구조를 이해하면, 치형은 단순히 자속 밀도 조절 장치에 그치지 않고 방사형 힘 스펙트럼을 재조정하는 수단이 된다.

SRM에 대한 분석적 및 수치적 연구에 따르면, 각 치아에 가해지는 방사형 힘 밀도는 국부적 공기 갭 자속 밀도의 제곱에 대략 비례한다. 자속 밀도 자체는 치아 끝단 형상과 국부적 포화에 극도로 민감하다. 이는 평균 토크에 큰 영향을 미치지 않으면서도, 끝단과 치아 뿌리 부분의 작은 기하학적 변화가 방사형 힘의 공간적 분포에 놀라울 정도로 큰 변화를 초래할 수 있음을 의미한다.

문헌과 실제 튜닝 과정에서 몇 가지 패턴이 일관되게 나타난다:

매끄럽고 둥근 이빨 끝과 신중하게 선택된 극 아크는 정렬 위치 근처의 인덕턴스 경사를 완화하는 경향이 있습니다. 이는 전류가 여전히 높은 상태에서 발생하는 반경 방향 힘의 급격한 피크를 줄여줍니다. 곡선형 회전자 극과 일치하는 고정자 이빨 끝을 조합한 경우, 일부 8/6 기계에서 효율이 약 0.5% 미만으로 감소하면서도 반경 방향 힘과 소음을 감소시키는 것으로 실험적으로 입증되었습니다.

치아 끝단 모따기 또는 가장자리 근처의 작은 홈은 부분 중첩 시 국부적 투과율을 변화시킵니다. 명확한 고조파 목표를 염두에 두고 수행할 경우, 이러한 특징들은 방사형 힘에서 특정 공간 차수를 감소시킬 수 있으나, 그 대가로 다른 부위에 추가적인 자속 밀집 현상이 발생합니다. 이러한 치아 형상과 조정된 커뮤테이션 각도를 결합한 논문들은 토크 리플에 극심한 손실 없이도 뚜렷한 소음 감소를 보고합니다.

자석 주위에 치아 폭을 변화시키거나 다중 치아 패턴을 도입하면 힘장의 완벽한 주기성이 깨집니다. 최근 다중 치아 고정자-회전자 개조에 관한 연구에서는 사다리꼴 치아, 극교, 끝단 형상 조합이 자동차 규모 구동 장치에 적합한 전자기 성능을 유지하면서 소음을 낮춘다는 점을 강조합니다. 이러한 패턴은 하나의 지배적인 방향이 아닌 여러 공간적 차원에 걸쳐 방사형 힘을 의도적으로 분산시키는 통제된 "결함"으로 생각할 수 있습니다.

이러한 기법들은 단독으로 적용할 경우 효과가 없습니다. 치아 끝점을 이동시키면, 각도에 따른 인덕턴스 프로파일이 변화함에 따라 기존에 최적이었던 전류 파형이 더 이상 정확하지 않게 됩니다. 따라서 "최종" 치아 형상은 단일 정적 최적화보다는 필드 계산과 단순한 NVH 지표를 모두 포함하는 반복 과정을 통해 거의 항상 도출됩니다.

로터 측: 소음 및 공기저항을 위한 슬롯 및 극 형성

로터 형상은 종종 토크 밀도와 공기저항을 우선으로 최적화된다. 소음은 부수적으로 발생한다. 매우 넓은 속도 범위를 가진 SRM, 특히 10,000 rpm 이상으로 작동하는 견인용 기계에서는 넓은 로터 슬롯에서의 공기저항 손실이 무시할 수 없습니다. 2025년 삼륜차용 견인 SRM 연구에 따르면, 수정된 로터 슬롯 형상으로 슬롯 면적을 축소하면 공기저항 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 결과적으로 발생하는 반경 방향 힘 변화를 완전한 소음 시뮬레이션으로 포착하고 실험적으로 검증할 경우 음향 특성도 개선될 수 있음이 밝혀졌습니다.

8/6 SRM에 대한 다른 연구에서는 로터 극단 곡률과 다중 세그먼트 극 프로파일을 시험했습니다. 유효 극 아크를 매끄럽게 하고 이빨 측면의 급격한 포화를 피함으로써, 이러한 설계는 효율과 토크 성능에 미미한 영향만 주면서 방사력 피크와 관련된 음향 출력을 감소시켰습니다.

라미네이션 스택 관점에서 로터는 실제로 공간적 진동을 유발하는 프로그래밍 가능한 소스입니다. 회전자 이빨 형상을 조정할 때 어떤 공간 차수를 강화하는지 확인하지 않으면, 한 가지 고음을 제거하는 대신 다른 주파수에서 또 다른 고음을 생성할 수 있습니다. 더 나은 방법은 각 후보 회전자 형상에 대해 고정자 이빨에서의 방사형 힘 스펙트럼을 추출하고, 이를 고정자 모드 맵과 대조하여, 민감한 모드 근처의 힘 성분을 증가시키는 형상은 토크 리플이 약간 더 좋아 보이더라도 배제하는 것입니다.

스택 내 스큐 현상: 단순한 '토크 리플 확산' 이상의 의미

스큐잉은 종종 토크 리플과 음향 소음을 해결하는 범용적인 방법으로 제시되지만, 적층 스택을 스큐하는 방식의 세부 사항은 매우 중요합니다.

실제적으로 SRM의 스큐는 일반적으로 연속적인 적층을 작은 각도로 회전시켜 스택이 축 방향 나선형을 형성하도록 구축됩니다. 이는 고정자, 회전자 또는 양쪽 모두에서 수행될 수 있습니다. 단상 및 3상 SRM 실험 결과, 고정자와 회전자의 스큐를 결합하면 평균 토크가 다소 감소하고 축 방향 자속 누설이 증가하는 대가로 진동과 소음을 크게 줄일 수 있음이 확인되었습니다. 스큐 적층에 대한 연구 검토에 따르면 다층 스큐 구조에서 소음이 몇 데시벨 정도 감소하는 것으로 보고되며, 이는 차량 실내에서도 이미 감지 가능한 수준입니다.

라미네이션 스택 설계에서 이는 스큐가 단순한 스위치가 아니라 축 방향을 따라 방사형 힘장들 사이의 위상 오프셋임을 의미합니다. 특정 고정자 모드에 도달하는 유효한 자극은 이러한 위상 기여도의 축 방향 합계입니다. 주된 모드가 상당히 균일한 축 방향 형상을 가질 경우, 스큐 피치가 고정자 극 피치에 근접하면 핵심 공간 고조파에서 파괴적 간섭을 일으켜 도움이 됩니다. 강한 축방향 변동을 보이는 모드들의 경우, 단순한 균일한 스큐는 별다른 효과를 내지 못할 수 있으며, 스택의 각 구간마다 서로 다른 스큐를 적용하는 단계적 스큐 또는 혼합 패턴을 사용하는 것이 더 나은 결과를 가져옵니다.

기계적 측면도 존재한다. 적층판의 비스듬한 배치는 스택 전체에 걸친 치아의 하중 분배 방식을 변화시키며, 특히 축 방향 길이가 짧은 기계에서는 모드 형상 자체를 약간 수정할 수 있다. 또한 제조, 적층, 권선 또는 냉각 채널용 슬롯 정렬을 복잡하게 만든다. 따라서 이득은 단순한 깨끗한 FEA 모델이 아닌 이러한 실제적인 문제점들과 비교하여 평가되어야 한다.

일반적인 치아 및 스택 전술 비교

아래 표는 최근 SRM 연구 및 산업 현장에서 보고된 경향을 바탕으로, 널리 사용되는 여러 적층 및 치형 기하학적 설계 기법과 이들이 힘, 소음 및 토크에 미치는 전형적인 영향을 요약한 것입니다.

숫자는 의도적으로 모호하게 제시되었습니다. 정확한 이득은 기계 크기, 극/슬롯 조합, 그리고 힘 스펙트럼과 구조 스펙트럼이 얼마나 날카롭게 교차하는지에 크게 좌우되기 때문입니다. 중요한 것은 방향성입니다: 어떤 설계 변수들이 결합된 시스템의 어느 부분을 주로 변화시키는지입니다.

모델들이 자주 생략하는 스택 조립 요령

많은 발표된 모델들은 고정자 적층 스택을 프레임에 완벽하게 접착되거나 완벽하게 고정된 것으로 가정한다. 실제로는 부분 접촉, 작은 틈새, 또는 바니시와 연동 탭이 강성을 지배하는 영역이 존재할 수 있다. SRM 고정자에 대한 실험적 기계적 연구에 따르면, 실제 경계 조건은 이상적인 지지대에 비해 고유 진동수를 수십 퍼센트까지 변화시킬 수 있다.

소음 저감을 위해 몇 가지 실용적인 사항이 필요합니다. 적층 스택의 균일성은 축 방향 모드 형상에 영향을 미칩니다. 각 적층 패킷이 약간 어긋나면 의도치 않게 국부적 비스듬함과 강성 변동을 유발하게 되는데, 이는 도움이 되거나 해가 될 수 있습니다. 무작위 비스듬함은 감쇠를 증가시키는 경향이 있지만, 모델에 존재하지 않았던 비대칭 모드를 유발할 수도 있습니다.

클램핑 힘도 중요합니다. 높은 클램핑은 스택을 압축하고, 적층판 사이의 마찰을 증가시키며, 감쇠를 추가할 수 있지만, 동시에 모드를 상향 이동시킬 수도 있습니다. 스택과 프레임 사이에 포팅 또는 수지를 사용하면 특정 주파수에서 강한 감쇠를 제공할 수 있지만, 다른 주파수에서는 하우징과 새로운 결합 모드를 생성할 수 있습니다. 모든 것이 좋거나 나쁜 경우는 거의 없으며, 조립 및 테스트를 거쳐야만 이러한 상충 관계를 확인할 수 있습니다.

따라서 FEA에서 톱니 형상을 조정할 때는 한 걸음 물러서서 가정된 경계 조건이 공장에서 실제로 사용하는 조립 공정과 일치하는지 확인하는 것이 좋습니다. 때로는 스택을 프레임에 압입하는 방식의 사소한 변경이 톱니 끝 부분의 추가 정밀화보다 더 큰 소음 감소 효과를 가져올 수 있습니다.

치아 형상과 적층 스택을 위한 현실적인 설계 루프

대부분의 팀은 이미 SRM의 2D 또는 3D 전자기 모델과 별도의 고정자 및 하우징 구조 모델을 보유하고 있습니다. 일반적으로 누락된 부분은 이빨 표면에서의 긴밀한 결합입니다. 수학적으로 완벽하지 않더라도 실용적인 루프는 다음과 같이 구성될 수 있습니다.

먼저 초기 적층 스택 설계를 확정합니다: 요크 두께, 스택 길이, 프레임 맞춤, 클램핑 개념. 조립된 고정자-하우징-권선 모델에 대해 구조 모달 해석을 수행하고, 적용 분야에 중요한 주파수 대역에서 상당한 방사형 이빨 변위를 보이는 주요 모드를 기록합니다. 목표는 수십 개의 고유값을 일일이 살피기보다 소수의 "민감한" 모드를 식별하는 것입니다.

그런 다음 전자기 모델을 사용하여 여러 작동점에서 한두 개의 전기 사이클 동안 각 치아에 작용하는 반경 방향 힘 분포를 계산하십시오. 해당 힘을 관심 있는 공간 모드 형상에 투영하십시오. 이를 통해 이론상 존재하는 고조파가 아니라 실제 모드에 에너지를 공급하는 반경 방향 힘 스펙트럼의 특정 부분이 파악됩니다.

해당 매핑을 바탕으로 치아와 로터 형상을 조정하기 시작하십시오. 둥근 끝단, 모따기, 수정된 극 아크, 다중 치아 패턴 등은 총 힘의 크기가 거의 변하지 않더라도 민감한 모드 형상에 투사되는 반경 방향 힘의 크기를 줄이는 방법이 됩니다. 스큐와 요크 변경도 동일한 범주에 속합니다: 이들은 전자기적 측면보다는 구조적 측면을 변경합니다.

실무에서 도움이 되는 것은 하나의 설계 변수를 집요하게 최적화하는 것이 아니라, 각 변경 사항이 세 가지 수치를 함께 어떻게 움직이는지 관찰하는 것이다: 주요 힘 고조파, 주요 구조 모드, 그리고 성가신 윙윙거림 주변의 좁은 대역에서 발생하는 음향 전력이나 전체 A-가중 수준 같은 단순한 음향 지표들. 축소된 규모라 할지라도 연속적인 프로토타입은 모든 결정을 단일 다목적 최적화기를 통해 밀어붙이려는 시도보다 훨씬 더 나은 통찰력을 제공한다.

마무리 생각

SRM 작업을 진행 중인데 데이터시트의 노이즈 수치가 만족스럽지 않다면, 전류 파형과 변환기 전략에 더 많은 관심을 기울이고 싶은 유혹이 생깁니다. 이러한 도구들은 여전히 유용합니다. 그러나 지난 수십 년간의 연구는 다른 점을 분명히 보여줍니다: 적층 스택을 치수 수준의 방사형 힘에 의해 구동되는 탄성 쉘로 인식하는 순간, 치수 형상과 스택 설계는 단순한 '세부 도면'을 넘어 주요 NVH 제어 표면이 됩니다. 이 요소들을 정확히 구현하면 소프트웨어로 해결해야 할 음향 문제 목록이 줄어들고, 제어 팀이 다루기 훨씬 쉬운 기계를 확보할 수 있습니다.