최근 고속 영구자석 전동기는 영구자석 제조 기술의 발달로 높은 보자력과 잔류자속밀도를 갖는 희토류 계 영구자석을 적용하여 고출력, 고효율을 가진다. 이때 사용되는 희토류는 화학적으로 안정하여 고온 및 습기에 내구성이 강하며, 높은 열전도율이 특징으로 여려 분야의 전동기에 이용되고 있다[1][2]. 그러나 이러한 장점을 가지는 희토류계 자석은 환경적 측면에서 본다면 다음과 같은 큰 단점을 갖는다.
희토류 계 영구자석은 재료인 희토류의 분리·정제 작업 과정에서 심각한 환경오염을 유발하며 중국 또는 말레이시아 등 개발도상국에서 주로 이뤄지며, 이에 따라 중국은 지난 20여 년에 걸쳐 생산량을 바탕으로 저가의 대량 물량 공급을 통해 희토류 시장을 주도하고 있다. 이에 따라, 희토류의 가격은 중국의 생산량에 매우 의존적이며, 지난 2010년에는 희토류 수출 쿼터를 40%로 제한하며 희토류 가격 급등을 주도하였고, 최근에는 미국과의 정치적 관계에 따라, 희토류를 둘러싼 강대국의 희토류 자원전쟁이 본격화될 조짐이 보이고 있으며, 이에 따라 희토류 값이 폭등할 가능성이 충분하다. 이를 산업적 측면에서 본다면, 희토류 계 영구자석 의존에 따른 제작 비용의 상승은 불가피 하며 이는 제품 생산에 차질을 빚게 만든다. 따라서 희토류의 중국 의존에서 탈피하기 위해 많은 나라들이 희토류 연구 중에 있으며, 일본의 경우 희토류 관련 특허를 독점하였으며, 미국의 경우 희토류를 대체하기 위한 물질을 개발하는 연구가 진행 중이다[3][4]. 그러나 국내의 경우 희토류 사용량의 90% 이상을 수입에 의존하기 때문에, 영구자석 제조의 안전성 확보 및 모든 모터 산업의 희토류 자석의 자원 무기화 극복을 위하여 비 희토류 전동기 개발의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 단점을 가지는 희토류를 대체 하는 비 희토류계 자석을 선정하여 고속 영구자석 전동기 설계를 수행하였다.
비 희토류계 영구자석의 선정을 위해 자석의 특성을 비교하면 다음과 같다. 기존의 희토류계 영구자석의 경우 대표적으로 네오디움 (NdFeB) 이나 사마륨코발트 (SmCo) 가 주로 사용되며, 네오디움 자석은 영구자석 중 가장 큰 자력을 가지며 월등한 보자력을 가진다. 그러나 온도에 민감한 단점이 존재한다. 사마륨 코발트의 경우 코발트와 합금으로 네오디움과 마찬가지로 높은 자력을 가지며 부식되지 않는다는 큰 장점이 있다. 그러나 두 자석 모두 희토류를 바탕으로 제작되어 제조 비용이 높은 단점이 존재한다. 비 희토류계 영구자석의 경우 대표적으로 페라이트 (Ferrite)와 알리코 자석이 있다. 알리코 자석의 경우 고온에 특화된 자석이나, 가장 낮은 보자력을 가지고 있어 희토류 자석을 대체하기는 어렵다. 반면 페라이트의 경우 주원료는 산화철로 저렴한 가격과 온도에 대한 안정성이 높아 광범위하게 사용되며, 알리코 자석보다는 높은 보자력을 가진다. 따라서 본 논문에서는 영구자석 제조의 안정성 확보를 위해 희토류 자석을 대체하여 비 희토류 자석인 페라이트 영구자석을 선정하였으며, 기존의 희토류 자석을 이용한 고속 영구자석 전동기의 스펙과 동일한 페라이트 자석 고속 전동기를 설계하여 희토류 자석의 대체 가능성을 제시하려 한다.
영구자석 전동기의 경우 회전자의 영구자석 형상에 따라 크게 표면 부착형 영구자석 전동기(Surface mounted Permanent Magnet Motor: SPM)와 매입형 영구자석 전동기(Interior Permanent Magnet Motor: IPM)로 분류 된다[5][6]. 본 논문의 경우 기존의 희토류 자석 전동기 모델이 표면 부착형 영구자석 전동기 모델로써 페라이트 자석 모델 또한 동일한 구조를 적용시켰다. 표면 부착형 고속 전동기는 고속 회전 시 원심력으로부터 자석의 비산을 방지 하기 위한 슬리브(Sleeve)가 구조적으로 필수적이다[7][8]. 따라서 고속 영구자석 전동기 설계 과정에서 슬리브를 고려한 응력 해석이 필요하며, 희토류 계 영구자석에 비해 상대적으로 낮은 잔류자속 밀도를 갖는 페라이트 영구자석이 희토류계 영구자석과 동일한 출력을 얻기 위해서는 자기력 확보를 위한 적절한 회전자 및 슬리브, 고정자 설계가 필요하다[9].
고속 영구자석 전동기의 설계 및 해석에 관한 연구는 많은 연구자들을 통하여 연구가 수행되고 있다[10]-[12]. 이 중 본 논문에서는 Von-Mises Stress 해석법, 공간고조파법(Space Harmonic Method), 상용 툴을 이용한 유한요소법(Finite Element Method; FEM)을 이용하여 설계 및 해석을 수행하였다.
첫번 째로 응력 해석 법 중 하나인 Von-Mises Stress 해석 법을 통하여 구동 시 온도 변화를 고려한 영구자석과 슬리브 사이에 발생하는 응력을 분석하였으며, 페라이트 자석 모델의 고속 회전 시 영구자석 및 슬리브 파손 방지 설계 구간을 선정하였다. 또한 본 해석법의 해석 결과에 따라 슬리브 두께 및 간섭량을 선정하였다.
두 번째로 공간고조파법을 이용한 분석 시, 앞서 수행 된 Von-Mises Stress 해석 법과 같이 매트랩(Matlap) 기반으로 수행되기 때문에 슬리브 두께 선정과 동시에 공극 자속를 분석 가능하기 때문에 보다 빠른 해석 결과를 가질 수 있다. 따라서 맥스웰 방정식을 이용하여 전자계 특성을 분석하는 공간고조파법을 이용하여 설계 된 회전자에서 발생하는 자속 밀도를 분석하였으며, 도출된 결과를 바탕으로 고정자 측 권선을 선정하였다. 이는 온도를 고려한 기계 응력 해석과 공간고조파 법을 이용한 빠른 형상 설계를 거쳐, 고속 전동기 설계 시 시간적 단축의 장점을 가진다.
세 번째로 보다 빠른 설계 후 정확도가 높은 FEM 해석을 통하여 성능 해석을 수행하였다. 설계 된 형상을 바탕으로 상용 툴(ANSYS Electronics Desktop)을 이용하여 부하 해석, 포화 분석, 손실 분석, 효율 등을 확인하였다[13]. 해석 결과를 바탕으로 기존의 희토류 자석 모델과 본 논문의 페라이트 자석 모델의 성능을 비교 할 수 있었다. 또한 유한 요소 해석 결과를 바탕으로 제작 모델의 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 기계적 및 전자기적 특성을 고려한 전동기 설계를 수행하여 기존의 희토류를 적용한 고속 영구자석 전동기를 기준으로 동일한 사양을 갖는 비 희토류 자석을 설계 및 제작을 통해 두 모델을 비교 검증하였다. 기계적 측면에서 회전자 사이즈 증가에 따른 자석 사용량, 회전자의 무게, 제작 비용을 비교 하였으며, 전자기적 측면에서 전자기 성능 해석 및 성능 평가 결과 비교를 수행하였다. 이후 실험을 통한 검증을 통해 비 희토류 자석인 페라이트 영구자석이 고속 영구자석 동기 전동기 제작에 있어 희토류계 영구자석을 대체 가능성의 타당성을 얻었다.

This paper deals with the design of a high-speed permanent magnet synchronous motor using a non-rare earth magnet through a design considering mechanical characteristics.
. Instead of rare earth magnets, which were widely used in conventional high speed permanent magnet motors, a high speed motor with a synchronous speed of 30000 rpm was designed using ferrite magnets, which are non-rare earth.
Non-rare earth ferrite magnets have a lower coercive force than conventional rare earth magnets SmCo magnets. Therefore, the new rotor diameter was selected by applying the TRV method in the design process. And considering the characteristics of the surface-attached high-speed permanent magnet motor, the yield stress of ferrite and sleeve materials was calculated to design the rotor sleeve. Yield stress was calculated using the Von-Mises Stress analysis method and compared and verified using a commercial analysis program. After that, based on the rotor design considering the mechanical characteristics, the winding and slot sizes of the stator were selected in consideration of the electrical characteristics of the ferrite. And the validity of the design method is verified through comparison of the finite elements method (FEM) analysis results. Finally, based on the design results, verification was conducted through fabrication and experiment. As a result, it was confirmed that the non-rare earth magnet model designed in this paper has similar specifications as the rare earth magnet model. This suggests that high-speed motors using ferrite magnets can have similar outputs as high-speed motors using rare earth magnets, suggesting the possibility of making them at lower cost.