직류전동기는 직류 전원을 공급받아 작동하는 전동기로 속도와 토크 특성이 선형적이고 전압에 대한 속도 특성 또한 선형적 이어서 제어가 쉬운 특성을 가지고 있다. 직류전동기는 브러시 및 브러시리스 타입으로 구분되며 가격 경쟁력과 소형 고출력 특성 및 제어의 용이성으로 브러시 타입의 직류 전동기가 주류를 이루고 있다. 또한 영구자석을 적용하여 자계를 만드는 전동기가 산업 전반에 적용되고 있는데, 일반적으로 브러시를 가진 영구자석 직류 전동기는 12 V에서 24 V의 낮은 전압 범위를 가지며, 영구자석으로부터 자계가 쉽게 생성되기 때문에 낮은 가격을 가지고 고효율을 내는 특성을 가진다. 정부와 기업체의 재정지원과 설계 노력으로 국내의 고토크 기술 수준은 많이 발전하였지만, 소형의 크기를 가지면서 우수한 성능을 가지는 초정밀 전동기와 고토크용 전동기는 미국과 유럽의 기술력이 독보적이다.¹

직류 전동기는 영구자석이 부착된 고정자와 철심에 코일을 감은 회전자, 브러시, 정류자 등으로 구성된다. 모터에 전압이 인가되지 않았을 때, 직류전동기 내부에서는 이미 영구자석으로 인한 자계가 형성되어 있다. 이 때, 직류 전동기 시동을 위해 직류전압을 또는 전류를 인가하면 회전자 코일에는 전류가 흐르게 되고, 암페어의 법칙에 따라, 전류에 의한 자기장이 형성된다. 이 자기장과 기존 영구자석에서 만드는 자기장 간의 중첩된 힘이 전동기의 축을 회전시킨다. 바로 이 회전력이 전동기의 토크이다.

회전자에 전압 또는 전류가 인가되면 토크가 발생하며, 영구자석형 전동기의 토크에 관한 수식은 다음 식(1), 식(2)과 같다.

식(1)을 식(2)에 대입하면 다음 식(3)과 같다.

식(4)로부터 도출된 자계세기를 통해 자속밀도 값을 구할 수 있으며, 이 자속밀도를 통해 만들어지는 에너지를 거리에 미분함으로써 자기력을 구할 수 있다. 이 자기력과 거리를 곱하여 최종 토크를 구할 수 있으며 이는 식(6)과 같다.

본 논문의 설계 전동기의 고정자코어 재질은 일반구조용 압연강재 SS275을 적용하였으며, 회전자의 재질은 50PN400 전기 강판을 적용하여 분석하였다. 고정자와 회전자와 더불어 직류 전동기의 필수적인 구성품인 영구자석재료는 사마듐코발트를 적용하였다. 일반적으로 전동기에 가장 많이 쓰이는 영구자석은 페라이트와 알니코이다. 페라이트와 알니코는 발견되어 적용된 기간이 가장 길고, 1960년대에 들어서는 페라이트와 알니코보다 에너지적이 2배 이상인 사마륨코발트가, 1980년대에는 에너지적이 4배 이상인 네오디움 재료가 등장하였다. 페라이트는 가격이 저렴하지만 출력특성이 좋지 않은 특징이 있고 알니코는 자계 세기가 0일 때의 자속밀도 값이 크지만 보자력이 낮다. 희토류의 일종인 사마륨코발트는 보자력이 아주 큰 특징을 가진다.² 보자력이란 자화시킨 자성체를 자화시키지 않은 상태로 되돌리기 위해 필요한 반대방향의 외부 자장의 크기를 말한다. 즉, 보자력이 클수록 보유하고 있는 자속을 잘 유지하고 재료가 안정적이라는 의미이다. 본 설계에 적용한 사마듐코발트의 보자력은 15 kOe이다.

이로써 본 연구에서는 전동기 고정자 마그넷의 형상과 회전자 슬롯의 Teeth 형상에 따른 토크특성을 FEM 모델링을 통해 분석함으로써, 소형 전동기의 최적의 토크 성능을 구현할 수 있도록 설계를 수행하였다. 그 결과, 마그넷의 양끝단을 가공한 형태가 토크 특성이 좋은 것으로 확인되었고, 회전자의 Teeth에 서브슬롯을 하나 적용한 형태가 토크 특성이 보다 좋은 것으로 확인되었다.

향후 본 연구 범위를 확장하여, 본 논문에서 제시한 형상 각각에 대하여 정밀도를 달리하여 분석하는 것과 전동기 고정자와 회전자의 형태에 대하여 세부적인 실험을 통해 토크의 변화량을 검출 추적하고 최적의 토크를 구현하는 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 전동기의 다른 구성요소의 형상에 대한 정밀 분석을 통해 보다 토크가 개선된 전동기를 설계할 수 있을 것으로 보인다.