공작기계의 고속화, 고정밀화에 대한 기술적 요구와 절삭 속도, 절삭력에 대한 관심이 증가하여 고출력과 고 정밀의 특성을 갖는 공작기계용 전동기의 개발이 요구되고 있다. 특히, 정밀 공작기계용 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor : PMSM)는 회전자에 동손이 없으므로 여자 손실이 없고, 높은 에너지 밀도를 갖는 영구자석을 계자로 갖기 때문에 출력 밀도 및 효율이 매우 높다. 게다가 반도체 기술의 발달로 인해 고속 운전에 의한 고출력 및 소형화가 가능하게 되어 정밀 공작기계 등의 다양한 산업분야에서 폭넓게 활용이 되고 있다[1].
그러나, 정밀 공작기계용 영구자석 동기전동기는 아주 정밀한 제작 과정이 요구되며, 미세한 오차에 의해 진동이나 소음 등에 의해 영향을 받을 수 있다. 특히, 회전자 편심(Rotor Eccentricity)은 정밀 공작기계용 영구자석 동기전동기의 미세한 오차를 만들어내는 주요 원인으로 전동기와 회전자의 회전 중심이 일치하지 않는 상태를 말한다. 전동기가 회전자 편심의 상태로 동작하면 회전자와 고정자 사이의 상대적인 위치 차이에 의해 불평형 전자기력(Unbalanced Magnetic Force : UMF)이 발생하게 된다. 불평형 전자기력은 전동기의 회전 정밀도를 저하시키는 직접적인 원인이 되기 때문에 발생 여부를 예측하거나 측정이 가능한 계측 시스템의 연구에 대한 필요성이 요구되고 있다[2][3].
선행 연구에서는 불평형 전자기력이나 소음, 진동을 저감하기 위한 전동기의 형상 설계에 대한 연구 및 정밀 주축을 회전체의 관점에서 진동 안정성이나 강성에 대해 시뮬레이션을 이용하여 해석하는 연구가 수행되었다[4]. 회전자 편심에 의해 변화하는 전동기의 특성을 직접적으로 측정하는 계측 시스템에 대한 연구는 활발하게 수행되지 않았다.
따라서 본 논문에서는 회전자 편심에 따라 발생하는 정밀 공작기계용 영구자석 동기전동기의 불평형 전자기력을 실시간으로 측정이 가능한 계측 시스템을 제안하였다. 제안된 계측 시스템은 전동기의 회전자에서 발생하는 불평형 전자기력을 직접적으로 측정하고, 계측 결과를 통해 측정 방법의 타당성을 검증하기 위해 유한요소해석을 이용하여 도출된 해석 결과와 비교/분석하였다.
본 논문에서는 회전자 편심에 따른 불평형 전자기력의 특성 해석 및 측정 시험을 위해 4극 15슬롯의 영구자석 동기전동기를 제시하였다. 회전자 편심의 크기에 따라 영향을 받는 영구자석 동기전동기의 다양한 특성, 즉, 자속밀도, 역기전력, 역기전력의 THD 및 토크 등은 상용 유한요소해석 S/W인 Ansys EM을 이용하여 해석하였다. 특히, 회전자 편심에 의해 가장 큰 영향을 받는 불평형 전자기력을 정밀하게 측정하기 위해 LabVIEW S/W와 DAQ H/W의 장비를 이용하여 실시간으로 측정이 가능하도록 계측 시스템을 구현하였다. 제안된 시스템으로부터 얻어지는 불평형 전자기력 특성에 대한 데이터는 공작기계용 영구자석 동기전동기의 회전 정밀도 향상을 위한 근거 자료로 활용이 가능하며, LabVIEW를 통해 구현된 계측 시스템은 비교적 구조가 간단하여 실험실 수준에서의 시험 장치로 구현이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
본 연구의 목적은 회전자 편심에 의해 발생하는 불평형 전자기력을 실시간으로 측정이 가능한 계측 시스템을 구현하여 제안함에 있다. 제안된 계측 시스템은 측정 시험에 의해 수집되는 회전체의 불평형 전자기력 특성에 대한 데이터의 분석을 통해 정밀 공작기계에 적용되는 영구자석 동기전동기의 회전 정밀도를 향상시키는데 매우 적합하다. 또한, 제안된 시스템을 이용하여 계측된 불평형 전자기력의 데이터는 유한요소해석의 특성 해석 결과와 비교/분석하여 제안된 계측 시스템의 측정 방법에 대한 타당성 검증을 수행하였다.