로봇 관절 액추에이터, 전기차 구동계, 드론 모터. 이들의 공통점은 무엇일까요? 모두 전기모터가 핵심 구동원이라는 점입니다.
그리고 이 모터들의 설계 검증에서 가장 큰 고민은 늘 같습니다.
“시제품 만들기 전에, 이게 제대로 동작할지 알 수 있을까?”
Ansys Maxwell은 이 질문에 답할 수 있는 전자계 해석 툴입니다. 이번 글에서는 Maxwell이 모터 설계에서 어떤 역할을 하는지, 그리고 어디까지 검증이 가능한지를 정리합니다.
Maxwell이란?
Ansys Maxwell은 모터, 액추에이터, 변압기, 자기 센서 등 전기기계 장치의 저주파 전자기장(EM Field)을 해석하는 시뮬레이션 툴입니다. 눈에 보이지 않는 전자기장을 3D/2D로 시각화하고, 토크·코어 손실·인덕턴스 ·와전류 등 설계에서 꼭 필요한 수치들을 정확하게 계산해 줍니다.
지원하는 주요 솔버는 다음과 같습니다.
- Magnetostatic 정자계 해석 (직류 전류, 영구자석)
- AC Electromagnetic 교류 전자계 해석 (와전류, 철손 등)
- Magnetic Transient 시변 자계 해석 (모터 구동 중 과도 현상)
- Electrostatic / DC Conduction / Electric Transient 전계 해석
모터 설계에서 Maxwell로 무엇을 검증하나?
모터 설계에서 가장 먼저 확인해야 할 것은 토크가 설계값대로 나오는가입니다. Maxwell은 회전자·고정자 형상, 권선 구성, 자석 재질을 모델링하고 실제 구동 조건에서의 평균 토크와 토크 리플을 계산합니다.
1. 토크 특성 및 코깅 토크 분석
특히 로봇 관절용 서보 모터에서 문제가 되는 코깅 토크(Cogging Torque)—슬롯과 자석 간의 자기적 인력으로 발생하는 불규칙한 저항도 Maxwell로 사전 예측하고 슬롯 스큐(Skew) 등 설계 변수를 최적화할 수 있습니다.
2. 불가역 감자(Irreversible Demagnetization) 해석
영구자석 모터에서 과전류·과열·역자계 조건이 발생하면 자석의 자력이 영구적으로 약해지는 불가역 감자 현상이 일어납니다. 이 경우 모터 출력이 회복 불가능하게 저하됩니다.
Maxwell은 영구자석의 B-H 곡선을 3사분면까지 확장 입력하여, 특정 운용 조건에서 어느 부위가 감자 위험에 노출되는지 시각적으로 분석합니다. 방산·항공처럼 극한 환경 운용이 요구되는 경우 특히 중요한 검증 항목입니다.
3. 코어손실(Core Loss) 및 와전류(Eddy Current) 분석
고속 구동 모터일수록 철심에서 발생하는 히스테리시스 손실과 와전류 손실이 커집니다. 이는 모터 효율 저하와 발열로 이어집니다. Maxwell의 AC Electromagnetic 솔버는 주파수별 코어손실을 정밀하게 계산하여, 설계 단계에서 손실을 최소화하는 철심 재질 선정과 적층 두께 결정을 가능하게 합니다.
4. 인덕턴스 및 Back-EMF 계산
인덕턴스(Ld, Lq)와 역기전력(Back-EMF) 파형은 제어 알고리즘 설계의 입력값이 됩니다. Maxwell은 회전 각도에 따른 인덕턴스 변화와 Back-EMF 고조파를 계산하며, 이 데이터를 Twin Builder로 넘겨 제어 시스템과 연동 시뮬레이션하는 것도 가능합니다.
단품 해석을 넘어서, 다물리계 연동
Maxwell의 진가는 단품 전자계 해석에서 끝나지 않는다는 점입니다. 모아소프트의 모터 해석 서비스는 Maxwell에서 시작하여 아래와 같이 연동됩니다.
Maxwell (전자계 해석) → 코어손실·동손 데이터 전달 Ansys Mechanical / Fluent (열전달 & 냉각 해석) → 온도 분포 피드백 Maxwell (온도 의존 감자 재해석) → 진동 가진력 전달 Ansys Mechanical (구조 & NVH 해석)
이 흐름을 통해 모터의 전자계→열→구조 거동을 하나의 연속된 해석 체계로 검증할 수 있습니다. 전기차 구동 모터처럼 고출력·고발열 환경이나, 로봇처럼 반복 충격 하중이 걸리는 환경에서는 이 연동 해석이 필수적입니다.
어떤 산업에 적용 가능한가?
| 산업 | 대표 적용 사례 |
|---|---|
| 로봇·자동화 | 관절용 액추에이터 모터 설계, 감자 검증 |
| 전기차(EV) | 구동 모터 효율 맵, 코어손실 최적화, NVH 저감 |
| 방산·항공 | 구동기, 발전기, 극한 환경 내 모터 신뢰성 |
| 드론·UAM | 추진용 BLDC 모터 경량화 설계, 열 마진 확인 |
시제품 제작 전에 설계를 확정하려면
시제품을 만든 뒤 문제를 발견하면 재설계 비용과 일정 지연이 불가피합니다. 특히 방산·항공처럼 인증 절차가 긴 산업일수록 설계 단계의 선행 검증이 프로젝트 성패를 좌우합니다.
모아소프트는 Ansys Maxwell을 포함한 다물리계 해석 역량을 바탕으로, 모터 전자계 해석부터 열·구조 연동 검증까지 원스톱으로 지원합니다.
모터 설계 검증이 필요하시다면 아래로 문의해 주세요.
관련 문의: 02-420-3203 / Contact Us – 26+ Year’s Experience in Reliability & Safety
*본 게시글은 AI 도구를 활용하여 생성한 이미지가 포함되어 있습니다.
