영구자석 모터를 설계할 때 흔히 놓치는 리스크가 하나 있습니다.
바로 자석이 약해지는 현상, 즉 감자(Demagnetization)입니다.
처음엔 정상 작동하던 모터가 시간이 지나면서 출력이 떨어지고, 원인을 찾아보면 자석의 자력이 돌아오지 않는 상태가 되어 있는 경우입니다. 문제는 이 현상이 설계 단계에서 충분히 예측 가능하다는 점입니다.
감자(Demagnetization)란?
영구자석은 역방향 자계가 가해지거나 온도가 일정 수준 이상으로 올라가면 자력이 줄어듭니다. 이 중 자계나 열이 제거된 후에도 자력이 회복되지 않는 경우를 불가역 감자(Irreversible Demagnetization)라고 합니다.
불가역 감자가 발생하면 모터 출력은 영구적으로 저하됩니다. 재설계나 자석 교체 없이는 회복이 불가능합니다.
이런 증상이 있다면 감자를 의심하세요
실제 현장에서 감자는 갑작스럽게 드러나지 않습니다. 다음 증상 중 하나라도 해당된다면 감자 가능성을 검토해야 합니다.
✔ 모터 출력 또는 토크가 초기 대비 서서히 낮아지고 있다
✔ 고온 환경 운용 후 성능이 회복되지 않는다
✔ 단락(Short Circuit) 또는 과전류 발생 이후 특성이 달라졌다
✔ 설계 사양은 통과했는데 필드에서 내구 문제가 반복된다
✔ 경량화를 위해 자석 크기를 줄였고, 감자 마진이 충분한지 확인이 안 됐다
✔ 역회전 또는 급제동이 빈번한 운용 프로파일인데 감자 해석을 해본 적 없다
이 중 하나라도 해당된다면, 지금 설계 단계든 이미 제품이 양산 중이든 관계없이 감자 해석을 통한 원인 파악이 필요합니다.
어떤 상황에서 감자가 발생하나?
과전류 발생 시 단락 또는 급격한 부하 변동이 생기면 순간적으로 큰 역방향 자계가 발생합니다. 이 자계가 자석의 보자력(Coercive Force)을 초과하면 감자가 시작됩니다.
고온 환경 온도가 올라갈수록 영구자석의 보자력은 낮아집니다. 상온에서는 안전한 운용 조건이라도, 고온에서는 같은 전류로도 감자가 일어날 수 있습니다. 방산·항공처럼 극한 환경에서 운용되는 모터일수록 이 리스크가 큽니다.
국부 감자(Local Demagnetization) 모터 내 자기장 분포는 균일하지 않습니다. 특정 슬롯 위치나 회전 각도에서 일부 자석 영역에만 집중적으로 역자계가 가해지는 경우가 있으며, 전체 평균 성능은 정상처럼 보여도 특정 부위만 감자가 진행될 수 있습니다.
시뮬레이션으로 감자를 미리 예측하는 방법
감자는 실물 시험으로 확인하기가 어렵습니다. 발생 조건 자체가 과부하·단락 같은 예외 상황이라 반복 재현이 까다롭고, 발생 후에는 이미 자석이 손상된 상태이기 때문입니다.
Ansys Maxwell은 이 문제를 설계 단계에서 해석합니다.
B-H 곡선 3사분면 입력
영구자석의 자화 특성(B-H 곡선)을 역자계 영역까지 입력하면, 특정 운용 조건에서 자석의 동작점이 불가역 영역으로 넘어가는지 계산할 수 있습니다.
온도 의존 물성 설정
온도에 따라 변화하는 잔류자속밀도(Br)와 보자력(HcJ)을 입력해, 고온 조건에서의 감자 위험도를 평가합니다.
감자 위험 부위 시각화
로터 단면에서 감자가 발생하는 위치와 범위를 컬러맵으로 확인하고, 자석 형상·착자 방향·슬롯 구조 최적화에 활용합니다.
지금이 검토 타이밍인 경우
설계 초기 단계라면 형상 확정 전에 감자 마진을 확인하는 것이 가장 비용 효율적입니다. 자석 크기·재질·착자 방향을 바꾸는 데 드는 비용이 가장 낮은 단계이기 때문입니다.
시험 또는 양산 단계라면 이미 감자 증상이 의심된다면, 해석을 통해 어떤 운용 조건에서 문제가 발생하는지 원인을 특정하고 운용 범위 조정 또는 설계 변경 범위를 최소화할 수 있습니다.
인증·납품 일정이 있는 프로젝트라면 방산·항공 인증 절차에서 감자 관련 신뢰성 검증은 필수 항목입니다. 시제품 시험 전 해석으로 사전 검토를 완료해두면 일정 리스크를 줄일 수 있습니다.
모아소프트는 Ansys Maxwell 기반 전자계 해석을 통해 영구자석 모터의 감자 리스크를 설계 단계에서 사전 검토할 수 있도록 지원합니다.
지금 설계 중인 모터의 감자 마진이 불확실하다면, 아래로 문의주세요.
관련 문의: 02-420-3203 / Contact Us – 26+ Year’s Experience in Reliability & Safety
