앞서 우리는 모터 철심을 왜 '슬라이스'하는지에 대해 이야기했습니다: 차단하기 위해서입니다. 소용돌이 엔지니어는 한 덩어리의 철을 수백, 수천 장의 얇은 판으로 자르고 말았습니다.

그러나 실리콘강판이 이미 매미의 날개처럼 얇아(0.2mm 또는 그보다 더 얇음) 물리적 가공이 한계에 도달한 상황에서, 우리는 어떻게 더 나아가 손실을 줄이고 모터 성능을 극대화할 수 있을까요?

목차

01 절연 고급화: 납땜과 리벳 고정을 떠나, 전면에 자가 접착 코팅이 적용된 '블랙테크놀로지'

02 차선 변경 및 추월: 신소재 군단의 ‘혜택’과 ‘대가’

03 자기구역 세분화: 자기장에 '레이저 미세수술'을 하다

04 구조적 기발함: 자석의 분할과 리즈선

05 원천 관리: 전류가 '너무 더럽지' 않도록 하세요

06 결론: 거시적에서 미시적까지의 극한 여정

07 절연의 고급화: 납땜과 리벳을 떠나, 전면에 자가 접착 코팅이 적용된 '블랙테크놀로지'

우리는 흔히 '적층'이라고 말하지만, 수백 장의 미끄러운 실리콘강판을 쌓아 올려서 어떻게 단단하고 밀착된 하나의 덩어리로 만들 수 있을까요?

전통적인 산업 관행은 일반적으로 다음과 같습니다: 리벳 단추 、 용접 또는 나사산을 끼우다 。
이 방법들은 비용이 저렴하지만, 고급 응용 분야에서는 다음과 같은 문제를 야기합니다. 두 가지 치명적인 '부작용' ：

l 절연 파괴(단락 위험) 리벳 고정은 스탬핑을 통해 판금을 변형시켜 결합하는 반면, 용접은 고온으로 녹여서 연결합니다. 이 두 방법 모두 실리콘강판 표면의 절연층을 직접 손상시켜 인위적으로 생성된 것입니다. 층간 전도점 이는 마치 어렵게 쌓아 올린 둑에 몇 개의 구멍을 뚫은 것과 같아, 소용돌이가 이 통로를 따라 '불씨가 되살아나' 국부적인 과열을 일으키게 됩니다.

강성이 부족함(진동 소음) 전통적인 고정 방식은 본질적으로 '점접합'입니다. 판과 판 사이가 완벽히 밀착되지 않습니다. 모터가 분당 수만 회의 속도로 빠르게 회전할 때, 철판들 간에 미세한 마찰이 발생해 고주파 비명소리(소음 자체도 에너지 손실의 한 형태임)를 유발하며, 열 전도에도 불리합니다.

이 고통스러운 문제를 완전히 해결하기 위해 획기적인 공정이 탄생했습니다— 전면에 자가 접착 코팅 처리됨 。

그림 1: 코팅 공정 비교: 전통적인 리벳/용접 방식과 전체 표면 자체 접착 코팅 방식 비교

주: 좌측의 전통적 방식(리벳, 용접, 나사 삽입)은 강판 표면에 물리적 구멍을 만들어 절연층을 직접 손상시키며, 이로 인해 와전류가 '단락 경로'를 형성하게 됩니다. 판과 판 사이에는 몇 개의 접점만으로 접촉이 이루어져 공기 간극이 생기므로 소음 발생과 열 방출이 어려워집니다. 반면 우측의 전면 자착 코팅 방식은 물리적 연결을 배제하고 특수 에폭시 수지로 각 강판을 완전히 덮어 분자 수준에서 완벽한 절연을 실현합니다. 동시에 수지는 미세한 틈새를 채워 열전도성을 향상시킵니다.

‘전면 자착’이란 무엇인가요?

이 공정은 물리적 연결을 배제합니다. 우리는 각 실리콘강판의 표면에 균일하게 매우 얇은 층을 도포합니다. 특수 열경화형 에폭시 수지 적층 후 가열하여 경화시키면 이 레진 층이 화학적 가교 반응을 일으켜 수백, 수천 장의 강판을 분자 수준에서 하나로 결합시킵니다.

성능이 얼마나 뛰어난가요?

이 코팅은 극한의 작업 환경을 위해 탄생한 '특수 장비'입니다:

Ø 내온도 최대 180℃ 고성능 모터가 전속력으로 작동할 때, 철심 내부는 마치 오븐과 같습니다. 일반 재료는 이미 부드러워져 제 기능을 잃었지만, 시중에서 특수 제작된 에폭시 수지 코팅은 이를 견딜 수 있습니다. 180℃ 높은 온도에도, 일부 자체 접착 코팅은 최대 내열 온도까지 견딜 수 있습니다. 220℃ 이상 높은 온도에서도 화자기술의 항공 등급 자체 접착 코팅은 항상 강철과 같은 결합력을 유지하여, 모터가 극한의 열 부하에서도 해체되거나 변형되지 않도록 보장합니다.

  Ø인장강도 그것의 수직 인장력은 다음에 도달할 수 있습니다. 2-4 N/mm² 이 수치가 다소 추상적으로 보이시나요? 한 번 환산해 보겠습니다: 이는 손톱만 한 크기(약 100mm²)의 접착면에서 다음과 같은 힘을 견딜 수 있음을 의미합니다. 20~40킬로그램 그 견인력! 철심이 완전히 경화된 후에는 기계적 강도가 실질적인 강철과 맞먹습니다.

소비 절감의 핵심 논리:

Ø전기적 절연 각 조각 간에는 수지로 완전히 차단되어 있어 어떠한 금속 접촉점도 없으며, 와류는 아예 갈 길이 없습니다.

    Ø 높은 감쇠와 높은 열전도 철심이 고내진성의 일체형으로 변하면서 미세한 마찰이 사라져 소음이 크게 줄어들었습니다. 또한, 수지가 기존에 공기로 가득 차 있던 미세한 틈을 채워 열이 더욱 원활하게 전도되도록 함으로써 온도 상승을 더욱 효과적으로 낮추었습니다.

02

차선 변경으로 앞지르기: 신소재 군단의 '혜택'과 '대가'

실리콘강 재료의 물리적 잠재력이 모두 발굴된 후, 과학자들은 대체재를 찾기 시작했습니다. 하지만 기억하십시오: 재료과학에는 완벽한 '영웅'은 없으며, 모든 신소재에는 고유한 성질과 단점이 있습니다.

1. 비정질 합금: 유리와 같은 금속

【원리】 급냉 기술을 통해 용융 금속을 순간적으로 응고시키면 원자가 질서 있게 배열될 시간이 없어 유리와 비슷한 무질서한 구조가 형성됩니다.

【혜택】 그 두께는 A4용지의 1/4에 불과하며(약 0.025mm), 전기저항률이 매우 높습니다. 기존 실리콘강과 비교할 때 무부하 손실을 줄일 수 있습니다. 70%~80% 배전 변압기 분야의 '에너지 절약의 왕자'입니다.

【대가】 ： 매우 부서지기 쉽고 경도가 높음 가공이 매우 어렵고, 약간의 힘만 가해져도 쉽게 파손됩니다. 또한 포화 자기밀도가 낮아 동일한 출력에서도 장비의 부피가 커지게 됩니다.

둘, 나노결정 합금 : 비정질의 진화된 버전

【원리】 비정질 기반에서 특수한 풀림 처리를 통해 나노미터 크기의 미세 결정립이 석출됩니다.

【혜택】 높은 투자율과 낮은 손실을 동시에 갖추고 있어 고주파 변압기와 정밀 협변기에 매우 적합합니다.

【대가】 공정이 매우 복잡하고 제조 비용이 높습니다.

3. 연자성 복합재료: 절연 피복을 한 철분 가루

【원리】 미세한 철분 입자의 표면에 절연막을 코팅한 뒤, 약을 압축하듯이 성형합니다.

【혜택】 각 입자가 절연되어 있기 때문에, 와류가 마이크로미터 크기의 입자 내부에 고정되어 거시적 회로를 형성할 수 없습니다. 이는 매우 적합합니다. 고주파 모터 또한 분말 압축 방식을 사용하기 때문에 복잡한 3D 위상 구조(예: 클로 폴 전기모터)를 제작할 수 있으며, 이는 적층 강판으로는 불가능합니다.

【대가】 결국 분말을 압축한 것이니까, 기계적 강도가 약함 또한 입자 간에 모두 절연층(즉, 미세 기공이 가득한 상태)이 존재하기 때문에 자성 전도 능력이 실체 강판보다 떨어지며, 이를 자극하려면 더 큰 전류가 필요합니다.

4. 페라이트: 세라믹과 같은 자석

【원리】 : 금속 산화물 세라믹으로, 본질적으로 반도체 또는 부도체입니다.

【혜택】 전기저항률이 금속보다 수만 배 높으며, 와류 손실은 거의 없습니다. 이는 초고주파(MHz급) 스위칭 전원의 최우선 선택지입니다.

【대가】 : 포화 자기밀도가 매우 낮아(쉽게 포화됨) 고출력·고토크 구동 모터의 중책을 전혀 감당할 수 없습니다.

그림 2: 네 가지 신형 자성 재료의 성능 비교표

주: 비정질 합금은 손실을 70%~80%까지 줄일 수 있어 배전 변압기의 '에너지 절약의 왕'이지만, 극도로 취약해 약간의 힘만 가해져도 쉽게 파손되며 가공이 매우 어렵습니다. 나노결정 합금은 비정질 기반에 나노미터 크기의 미세 결정립을 석출시켜 높은 자속밀도와 낮은 손실을 동시에 갖추어 고주파 응용에 적합하지만, 공정이 복잡하고 비용이 매우 높습니다. 연자성 복합재료(SMC)는 철분 입자를 절연막으로 둘러 압축 성형하여 복잡한 3D 구조를 만들 수 있지만 기계적 강도가 상대적으로 약합니다. 페라이트는 세라믹 소재로, 와전류 손실이 거의 없어 MHz급 스위칭 전원 장치에서 가장 선호되지만, 포화 자기밀도가 매우 낮아 고출력 모터에는 적합하지 않습니다.

03

자기구역 세분화: 자기장에 '레이저 미세수술'을 하다

재료와 절연 처리 외에도, 하이엔드 방향성 실리콘강 분야(주로 대형 변압기용) 과학자들은 자기장 자체에도 손을 댔습니다.

실리콘강 내부에는 많은 것이 있다. 자기구역 이들을 하나하나의 '자석 소분대'로 상상해볼 수 있습니다. 만약 이 소분대의 편제가 너무 방대하다면(자구가 넓다), 전류의 방향이 바뀌어 이들이 '뒤로 돌아야' 할 때 동작이 매우 느려지고 내부 마찰도 크게 발생하게 되며, 이는 다음과 같은 결과를 초래합니다. 이상 와류 손실 。

그래서, 레이저 마킹 기술 응운이생:
고에너지 레이저를 이용해 실리콘강판 표면을 빠르게 스캔함으로써 눈으로는 알아보기 어려운 흔적을 새겨 미세한 응력을 유도합니다. 이 응력은 마치 벽과 같은 역할을 합니다. 원래 넓었던 자기 도메인을 가늘고 유연한 소규모 부대로 '잘게 쪼개'라.

좁아진 자기구역은 반응 속도가 매우 빨라, 회전 시 발생하는 '마찰'이 크게 줄어듭니다. 이 한 가지 방법만으로도 변압기의 철손을 원래 극히 낮은 수준에서 다시 약 10% 더 줄일 수 있습니다.

그림 3: 자기구역 세분화 작동 원리: 전통적인 실리콘강의 넓은 자기구역과 레이저로 새긴 후 세분화된 자기구역의 비교

주: 좌측의 전통적인 실리콘강에서는 자화영역이 넓고 두꺼워, 전류 방향이 바뀌면 이 '자성 소분대'들이 일제히 뒤집혀야 합니다. 마치 거대한 군대가 방향을 틀며 회전하는 것과 같아 마찰이 매우 커지고 그에 따른 손실도 커지게 됩니다. 반면 우측의 레이저 각인 방식에서는 고에너지 레이저가 강판 표면을 스캔하며 눈으로는 알아보기 어려운 미세한 흔적을 남깁니다. 이러한 흔적들은 미세한 응력을 유도해 보이지 않는 '벽'과 같은 역할을 하며, 넓은 자화영역을 수많은 가늘고 작은 소분대로 쪼개줍니다. 세분화된 자화영역은 '반응이 빨라' 뒤집힐 때 마찰이 크게 줄어들며, 이 한 가지 방법만으로도 철손을 추가로 10%나 줄일 수 있습니다.

04

구조적 기발함: 자석의 분할과 리즈선

와류를 줄이는 것은 단순히 철심만의 문제가 아니라 모터 내부에서도 발생합니다. 다른 부품 또한 와류의 피해자이기도 합니다.

1. 자석의 분할:

영구자석 모터에서 희토류 영구자석은 비록 전기저항률이 구리보다 높지만, 고속 회전 중의 고조파 자기장 하에서는 여전히 와전류가 발생해 발열을 일으킵니다. 과열되면 자석이 영구적으로 탈자되어 모터가 바로 폐기됩니다.

엔지니어의 방법은 간단하고 직설적이다: 큰 자석을 여러 개의 작은 조각으로 자른 뒤, 중간에 절연 처리를 하고 다시 맞춰 붙이세요. 이는 마치 고속도로를 끊어버린 것과 같아, 자석 내부에서 소용돌이가 형성하는 대규모 순환 회로를 완전히 차단한 셈이다.

2. 리즈선:

구리 권선의 경우, 고주파 전류는 표면을 따라 흐르기를 좋아하며(표면 효과), 이로 인해 중심부가 낭비되고 저항이 증가하게 됩니다. 리츠 선은 두꺼운 도체를 하나로 만드는 방식입니다. 수백 수천 개의 서로 절연된 얇은 에나멜 피복 전선을 꼬아 놓음 함께 하면 전류가 균일하게 분포되도록 해 고주파에서의 구리 손실과 와전류를 크게 줄입니다.

그림 4: 구조적 고안: 자석의 분할과 리즈선을 이용한 두 가지 와류 저감 설계 방안 비교

주: 상반부의 자석 분할 방안: 한 덩어리의 희토류 영구자석은 고속 회전하는 조화 자기장 속에서 큰 와류를 유발합니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 간단하고도 과감한 방법을 채택했습니다—커다란 자석을 여러 개의 작은 조각으로 자른 뒤, 중간에 절연재로 구분한 것이죠. 이는 마치 고속도로를 끊어버리는 것과 같아, 더 이상 큰 순환 회로가 형성되지 못하고 강제로 나뉘어져 미세한 소규모 와류로 전락하게 됩니다. 하반부의 리츠선 방안: 기존의 두꺼운 도선에서는 고주파 전류가 표면적에만 흐르는 피부효과로 인해 중심부는 낭비되고 저항이 커집니다. 리츠선의 묘미는 하나의 도선을 수백, 수천 가닥의 절연된 얇은 에나멜선으로 꼰 형태로 만드는 데 있습니다. 이렇게 하면 전류가 어디에도 빠져나갈 곳이 없어 각각의 가는 선에 균일하게 분포될 수밖에 없으며, 고주파 특성이 매우 우수해집니다. 두 방안 모두 공통적인 논리는 '분할 및 격리'입니다—큰 회로를 끊어 피부효과를 없애고, 에너지가 숨길 곳이 없도록 만드는 것이죠.

05

원천 관리: 전류가 '너무 더럽지' 않도록 하세요

앞서 설명한 모든 기술은 모터 내부에서 이루어지는 '수동적 방어'입니다. 하지만 종종 간과되는 매우 중요한 차원이 하나 더 있습니다— 전원의 순도 。

이것이 바로 '원천 관리'입니다.

완류 손실에는 냉혹한 물리 법칙이 있다: 손실은 주파수의 제곱에 비례한다. (페∝f ² ).

이는 주파수가 높아질수록 와류 손실이 지수함수적으로 폭발적으로 증가한다는 것을 의미합니다.

현재의 모터는 대부분으로 구성됩니다. 인버터(VFD) 구동. 인버터 출력은 완벽하지 않습니다. 사인파 그러나 이는 무수한 사각파 펄스( PWM 파형)로 구성되어 있습니다. 이러한 파형에는 고차 조화파가 가득합니다.

1. 고조파란 무엇인가?

전류를 모터가 먹는 밥에 비유해 보겠습니다. 기본파(주요 주파수)는 영양이 풍부한 쌀로, 토크를 발생시킵니다. 반면 고조파는 밥 속에 섞인 모래와 돌과 같습니다.

이러한 고주파 '모래와 자갈'은 모터의 회전에 거의 기여하지 않지만, 그 주파수는 매우 높습니다(기본파의 수십 배에서 심지어 수백 배에 달할 수도 있습니다). 제곱에 비례하는 법칙에 따라, 이러한 고주파 성분들은 철심 표면에 격렬한 와류를 유도하며, 이로 인해 모터가 이유 없이 뜨거워지는 현상이 발생합니다.

그림 5: 전류 파형과 고조파의 관계: 사인파와 PWM 파형의 비교, 및 와전류 손실과 주파수 제곱 간의 관계

주: 그림의 상반부에서는 이상적인 사인파(깨끗한 기본파 50/60Hz)와 인버터 출력의 PWM 파형(고차 조화파가 가득한 복잡한 파형)을 비교하고 있습니다. 주파수 스펙트럼 분석 결과, 기본파 외에도 3차, 5차, 7차 등 여러 차례의 고조파가 존재함을 확인할 수 있습니다. 하반부에서 중요한 법칙은 Pe ∝ f²라는 것입니다—소용돌이 손실은 주파수의 제곱에 비례합니다. 이는 주파수가 두 배로 증가하면 손실이 네 배로 늘어난다는 것을 의미합니다. 기본파는 모터 회전에 기여하지만, 고차 조화파는 마치 밥에 섞인 모래와 같아 철심 내에서 심각한 소용돌이 열을 유발할 뿐입니다.

둘째, 어떻게 치료하나요?

이는 소프트웨어와 하드웨어의 결합을 필요로 합니다.

하드웨어적으로 : 인버터와 모터 사이에 장착하십시오. 사인파 필터 또는 리액터 고주파 잡음을 제거하여 '현미'를 '정미'로 만듭니다.

소프트웨어에서 인버터를 최적화하는 것 제어 알고리즘 (SVPWM 변조 전략과 같은 경우) 출력 파형의 고조파 함량을 능동적으로 줄여 THD를 낮춥니다.

모터가 깨끗하게 작동하면 철심도 자연스럽게 '열이 오르지' 않습니다.

06 결론: 거시적에서 미시적까지의 극한 여정

이제 우리는 마침내 와류 손실에 맞서는 완전한 퍼즐을 맞추었습니다. 이 보이지 않는 전쟁을 되돌아보면, 이것이 바로 스케일을 초월한 극한의 여정임을 알게 됩니다.

그림 6: 다섯 가지 소비 절감 핵심 전략 종합 프레임워크

원천(제어층)에서 우리는 알고리즘을 통해 전류를 정제하고 고주파 하모닉의 간섭을 제거합니다.

표면(마이크로미터층)에서 우리는 사용합니다. 220℃ 고온 내열 전면 자착 코팅 손상된 절연을 대체하는 리벳 버클을 사용해 전기적 절연과 기계적 강도를 동시에 구현한 것은 공정의 성과입니다.

본체(재료층) : 우리는 장면에 따라 선택합니다. 비정질, SMC 재료 자체의 물리적 특성을 활용해 차원을 낮춰 강력한 타격을 가한다.

미시적(양자 수준)에서 우리는 활용합니다. 레이저 마크 자기구역을 세분화하여 자기모멘트의 전환 마찰을 줄인다.

소용돌이 손실을 줄이는 것은 단지 몇 도의 전기를 절약하기 위한 것이 아닙니다.

이는 전기차가 수십 킬로미터 더 주행할 수 있음을 의미하며, 산업용 로봇이 머리카락 굵기 수준의 위치에 더욱 정밀하게 정지할 수 있음을 뜻하고, 거대한 변압기가 더 이상 시끄럽거나 과열되지 않게 될 것을 의미합니다.

마이크로미터 단위의 코팅 두께 제어, 뉴턴 단위의 결합력 향상, 모든 신소재에 대한 과감한 시도는 모두 엔지니어들이 물리적 한계의 경계에서 이루어내는 탐구입니다. 바로 이러한 '첨단 기술'들이 모여 우리의 에너지 심장을 더욱 빠르고 강력하며 오래도록 뛰게 만듭니다.

위 자료는 공식 계정 '전기기자재 연구자'에서 발췌한 것입니다.