고정자 또는 회전자를 비스듬히 기울이면 코깅을 더 줄일 수 있나요?

간단한 답변: 동일한 전기적 스큐 각도와 기계적 구조에서 고정자 또는 회전자를 스큐 처리하면 코깅 토크가 거의 동일한 정도로 감소합니다. 주요 차이점은 원시적인 코깅 감소가 아니라 비용, 제조 가능성, 그리고 토크와 손실에 미치는 부수적 효과에 있습니다.

많은 학술 연구에서는 스큐를 범용 조절 장치로 취급합니다. 고정자 스택 스큐, 자석 스큐, 회전자 바 스큐 등 방정식은 거의 신경 쓰지 않습니다. 그렇다면 물리적 특성이 거의 대칭이라면, 왜 업계는 고정자보다 회전자를 더 많이 스큐시키는 걸까요?

코깅 감소의 핵심은 마케팅 문구가 아니라 실제 성능이다

코깅은 영구자석 극과 고정자 이빨 사이의 상호작용에서 발생합니다. 이미 알고 계시죠. 스큐에 중요한 것은 간단하지만 설계 회의에서 간과하기 쉬운 점입니다:

기계를 축 방향으로 여러 개의 얇은 "미니 모터"로 분할한다고 상상해보면, 스큐는 각 슬라이스를 전기 각도로 약간 회전시키는 역할을 합니다. 총 코깅 토크는 모든 슬라이스의 벡터 합입니다. 코깅 주기 하나만큼 스큐를 적용하면, 각 슬라이스가 서로 다른 위상에 위치하여 상쇄되기 때문에 주 코깅 고조파를 거의 제로 수준으로 줄일 수 있습니다.

그것이 전체 슬롯 피치 스큐가 매우 효과적인 이유입니다: 하나의 슬롯 관련 고조파를 스택을 따라 완전한 360° 위상 범위에 걸쳐 분산시켜 큰 사인파를 거의 평탄한 노이즈로 변환합니다. 스큐가 회전자에서 발생하든 고정자에서 발생하든, 다음 조건만 충족된다면 위상 그림은 변하지 않습니다:

기계적 스큐 각도는 동일합니다.

스택 전체에 걸쳐 비뚤어짐이 상당히 균일하다.

당신은 이상한 채도 비대칭을 도입하지 않았습니다.

따라서 깨끗한 시뮬레이션 모델에서 동일한 스큐 각도를 가진 로터 스큐와 고정자 스큐는 거의 동일한 코깅 토크 곡선과 유사한 토크 리플 감소를 보여줍니다. 축방향 자속 및 표면 장착형 PM 기기에 대한 최신 연구에 따르면, 고정자 슬롯 스큐와 자석 스큐 모두 동일한 전기 각도(주로 60~70° 이상, 고급 이중 스큐 레이아웃의 경우 최대 약 73°까지)로 조정할 경우 비슷한 비율의 감소를 보인다는 것이 확인되었습니다.

진정한 분리는 밭에서 벗어나 공장으로 들어설 때 발생한다.

실제 적용에서의 회전자 스큐 대 고정자 스큐

먼저 간결한 형태로 거래 내용을 정리해 드리겠습니다. 그다음에 자세히 살펴보겠습니다.

해당 표에서 누락된 사항을 확인하십시오: "이것이 항상 더 많은 코깅 토크를 제거한다"는 항목이 없습니다. 동일한 전기적 스큐 각도에서는 코깅 감소 효과가 대체로 상쇄됩니다.

왜 모두가 계속 로터를 비뚤어지게 하는가

EASA 설계 지침에서 비스듬한 다람쥐장 로터를 일반적인 사례로 언급하고 고정자 비스듬히 가공이 덜 흔하다고 설명하는 데는 타당한 이유가 있습니다: 비스듬한 고정자 슬롯은 코일 삽입을 어렵게 하고 효과적인 슬롯 개구부와 단면적을 감소시키기 때문입니다. 이는 단순한 각주가 아닌 실제 제조상의 골칫거리입니다.

고정자가 비스듬히 기울어지면:

슬롯 웨지는 단순한 부품이 아닌, 기성품이 아닌 중요한 부품이 됩니다.

자동 코일 삽입 장비는 특수 공구가 필요하거나 아예 고려 대상에서 제외됩니다.

절연 간격 및 부분 방전에 대한 품질 관리는 더 까다로워진다.

반면 로터 스큐는 일단 c를 선택하면 종종 "자유"로워진다.커스텀 로터 적층판 또는 다이캐스팅. 펀칭 시 슬롯 패턴을 비틀기만 하면 됩니다. 별도의 복잡한 권선 작업이 필요 없습니다.

그래서 여러분이 보시는 것은:

소음 및 토크 리플을 억제하기 위한 표준 관행으로 로터 바를 비스듬히 배치한 유도 전동기.

편향 자석을 장착한 PM 기계 또는 단계적 편향 로터를 갖춘 기계(방사형 자속 및 축방향 자속 형식 모두), 특히 소음이 판매 포인트인 경우.

따라서 기존의 방사형 자속 산업용 모터를 제작 중이고 선택의 여지가 있다면, 일반적으로 로터의 비스듬히 배치(skewing)를 가장 먼저 시도해 볼 수 있는 방법입니다. 마법처럼 더 많은 코깅을 제거해주기 때문이 아니라, 동일한 문제를 덜 고통스럽게 해결해주기 때문입니다.

고정자 스큐가 여전히 더 현명한 선택일 때

고정자를 접촉하는 것이 실제로 더 쉬운 설계나, 회전자를 가능한 한 단순하고 기계적으로 견고하게 유지하고자 하는 경우가 있습니다.

선형 플럭스 스위칭 PM 모터가 좋은 예시이다. 2018년 MDPI 연구에서는 여러 고정자 단계 스큐 구조(3단계, 2단계, 개선된 2단계)를 비교하여 회전 기계에서 코깅 토크와 동일한 특성을 보이는 코깅력 성분을 제거하는 데 활용했다. 해당 구조에서는 고정자가 모듈식 섹션으로 구성되므로, 해당 섹션을 이동하거나 스큐 처리하는 것이 간단하다.

모듈식 고정자 이빨을 사용하는 축류형 기계에서도 유사한 현상이 발생합니다. 최근 연구에 따르면, 반대편 고정자 이빨을 최적 각도로 이동시키면 특수한 회전자 가공 없이도 코깅을 크게 줄일 수 있습니다. 고정자가 이미 개별 장착된 이빨로 구성되어 있다면, 이빨을 기계적으로 오프셋하는 것이 가장 간섭이 적은 변경 방법일 수 있습니다.

고정자 측 트릭은 또한 다음과 같은 경우에 빛을 발합니다:

로터는 고체 안전 핵심 부품(예: 고속 기계)이며, 가능한 한 절삭, 계단, 또는 분할 자석을 최소화해야 합니다.

이미 고정자를 장착하고 조립하는 방식이 작은 치아 변위나 단계적 스큐를 거의 발생시키지 않도록 설계되어 있습니다.

개발 후반부에 로터 재가공 대신 고정자 모듈을 교체하여 스큐를 "조정"할 수 있는 옵션을 원합니다.

이러한 경우, 고정자 스큐 또는 치수 이동은 회전자 스큐와 동일한 코깅 토크 감소를 제공하면서도 회전자를 단순하고 강하게 유지할 수 있습니다.

스텝 스큐, 세그먼트 스큐, 그리고 "얼마나 많은 스큐가 충분한가" 문제

이론은 말한다: 정확히 한 코깅 주기로 기울이면 그 고조파를 제거할 수 있다고. 실천은 말한다: 그 대가를 치르게 된다고.

스큐는 기본파의 유효 권선 계수를 감소시켜 암페어당 토크를 낮춥니다. 스큐가 클수록 손실도 커집니다. 따라서 회전자와 자석의 스큐에 대한 상세 연구는 일반적으로 슬롯 피치의 일부에 해당하는 부분 스큐를 중심으로 이루어지며, 이는 코깅 감소와 토크 손실 및 효율 사이의 균형을 맞추기 위함입니다.

최근 작업은 좀 더 창의적인 방향으로 나아가고 있습니다:

분할형 또는 "단계형" 스큐는 로터나 고정자를 축 방향으로 두 개 또는 세 개의 단계로 나누어 각 단계를 슬롯 피치의 일부만큼 서로 어긋나게 배치하는 방식이다. 이 기계는 여러 개의 소형 모터를 볼트로 연결한 것과 같은 동작을 하며, 공구 설계를 단순하게 유지하면서 최악의 고조파를 상쇄할 수 있는 단계 각도를 선택한다.

이중 경사 자석은 특히 축방향 갭 모터에서 자석 세그먼트가 두 방향으로 경사져 배치됩니다. 2025년 한 연구에 따르면 이러한 패턴을 적용할 경우 코깅 토크가 약 73% 감소하고 토크 리플이 약 60% 감소하는 것으로 보고되었으나, 이는 더 복잡한 자화 과정과 높은 제조 공정을 요구하는 대가를 치릅니다.

로터 슬롯 아크의 불균일성과 치아 노칭을 함께 적용하여 적당한 스큐를 구현하므로, 스큐 각도만 지나치게 의존할 필요가 없습니다.

이러한 결과들은 스큐가 고정자(stator)에 배치되든 회전자(rotor)에 배치되든 크게 좌우되지 않습니다. 오히려 문제의 고조파에 대해 기계적 스큐가 이상적인 전기적 위상 분포를 얼마나 근사하는지에 달려 있습니다.

따라서 "얼마나 많은 스큐가 충분한가"라는 질문은 일반적으로 최적화 루프를 통해 답을 찾습니다: 유한 요소 해석에서 스큐 각도를 스윕하고, 각도에 따른 코깅 토크와 평균 토크를 매핑한 후 최적의 절충점을 선택합니다. 고정자 강판을 이동할지 회전자 강판을 이동할지는 거의 별개의 논의입니다.

어느 쪽으로 기울일지 결정하는 실용적인 방법

브랜드 언어를 배제하고 순수한 엔지니어링 선택으로만 본다면, 결정 과정은 체크리스트가 아닌 다음과 같은 말로 표현될 수 있습니다.

제조 제약 조건부터 시작하십시오. 고정자 슬롯 채움률, 절연 간격, 자동 권선 공정 측면에서 설계 한계에 도달한 경우 일반적으로 슬롯을 비틀어서는 안 됩니다. 이는 로터 스큐(skew) 방식을 선택하도록 이끌며, 이는 대부분의 산업 설계에서 채택하는 방식과 일치합니다.

다음으로 로터를 살펴보십시오. 유도 전동기의 단순한 적층판 스택이나 개별 표면 자석을 가진 영구자석(PM) 로터의 경우, 스큐(skew) 조정은 간단합니다: 적층판 슬롯 패턴을 조정하거나 자석을 분할하여 단계적 스큐(step-skew)를 적용하면 됩니다. 자화 고정 장치나 다이캐스팅 공구를 한 번만 변경하면 작업이 완료됩니다.

로터가 기계적으로 제약되거나 손대기에는 너무 비싼 경우(고속 솔리드 로터, 복잡한 내부 PM 패턴, 변경 불가능한 기존 공구 등을 생각해보라)에는, 특히 스테이터가 모듈식이나 이미 분할된 상태라면, 스큐를 스테이터 측으로 이동시켜야 한다.

그 후에는 스큐를 여러 코깅 제어 메커니즘 중 하나로만 취급합니다. 슬롯/극 조합, 자석 극-아크 최적화, 이빨 노칭, 코깅 방지 전류 주입 등 모든 요소가 함께 작용할 수 있습니다. 스큐는 기하학적 요소의 날카로움을 완화시켜 주며, 제어 시스템은 이후 거대한 주기적 교란과 싸우지 않고도 남은 토크 리플을 처리할 수 있습니다.

핵심은 "로터 스큐 = 강한 감쇠, 스테이터 스큐 = 약한 감쇠" 또는 그 반대의 식으로 생각하지 않는 것이다. 동일한 스큐 각도에서는 코깅 토크 측면에서 거의 상호 교환 가능하다. 달라지는 것은 주변 요소들이다: 권선 계수, 제조 공정, 구리 사용량, 자석 비용, 그리고 때로는 기계적 무결성까지도 변한다.

그렇다면 어느 쪽을 선택해야 할까요?

코깅 토크 감소량만을 고려하고 스큐 각도와 기계 토폴로지를 고정할 경우, 일관된 최상의 선택은 존재하지 않습니다. 고정자와 회전자의 스큐는 코깅 토크 감소율에서 거의 동일한 비율을 보이며, 차이는 미미하고 사례별로 다릅니다.

전체 설계(비용, 제조 가능성, 토크 밀도, 손실 등)를 고려한다면:

대부분의 기존 방사형 자속 모터는 제조가 용이하고 권선 및 슬롯 채움에 덜 불리한 이유로 로터를 비스듬히 배치합니다.

고정자 스큐 또는 치수 이동은 고정자가 모듈식이나 조정하기 쉬운 경우, 또는 회전자가 기계적 또는 상업적으로 "접근이 불가능한" 경우에 매력적인 선택이 된다.

고급 스큐 패턴, 분할형 로터 또는 정교한 치형 배열로 이미 한계까지 밀어붙이고 있다면, 고정자와 회전자의 선택은 일반적으로 생산 라인 구성 방식에 의해 결정되며, 코깅 토크를 몇 퍼센트 더 줄이는 문제로 결정되지 않습니다.

제목의 질문에 대한 솔직한 답변은 다소 지루하지만 매우 유용합니다: 공정이 더 저렴하게 비틀 수 있는 쪽으로 치우친 다음, 설계 시간을 들여 치우침 각도와 나머지 형상을 최적화하세요. 진정한 이득은 바로 그곳에 숨어 있습니다.