토크 리플(Torque Ripple)

 

 

 

 

토크 리플(Torque Ripple)이란?

 

 

 

 

 

 

위 그림은 Dynamic Load 조건에서 측정한 모터 토크이다.

상단 그림을 보면, 일정 시간이 지난 후 토크가 정상 상태(Steady State)에 도달하는 것을 확인할 수 있다.

하단 그림은 이 정상 상태 구간의 토크를 확대한 결과이다.

확대된 Instant Torque 파형을 보면, 평균 토크를 중심으로 주기적인 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있는데,
이러한 현상을 토크 리플(Torque Ripple) 이라고 한다.

 

 

 

 

 

 

 

토크 리플(Torque Ripple) 발생 원인

 

토크 리플의 원인은 크게 다음 두 가지로 분류할 수 있다.

1. 입력 전류에 의한 토크 리플
2. 모터의 기계적 구조에 의한 토크 리플

 

 

 

입력 전류에 의한 리플

 

 

 

위 그림에서 첫 번째 파형은 모터에 인가되는 3상 전류, 두 번째 파형은 이에 따른 토크 측정 결과이다.

 

AC 모터에서 토크는 기본적으로 전류에 비례하여 발생한다.
하지만 입력 전류는 DC가 아닌 교류(AC) 이며, 각 상(Phase)의 전류는 시간에 따라 변화한다.

 

모터에서 발생하는 토크는 각 상 전류의 Envelope 성분에 의해 결정되는데,
상 전환 과정에서 필연적으로 교류 성분이 포함되면서 토크 역시 일정하지 않고 변동하게 된다.

 

이로 인해 전류가 안정적으로 보이더라도, Instant Torque에서는 주기적인 리플 성분이 발생하게 된다.

 

 

입력 전류 기반 토크 리플의 특징

• 토크는 전류의 Peak 값을 따라 변동함
• 상(Phase) 수와 RPM이 증가할수록 리플 주파수는 증가
• RPM이 증가하면 동일 토크를 내기 위해 전류의 주파수가 증가
• 결과적으로 고속 영역에서 토크 리플의 주파수 성분이 높아짐

 

 

 

 

 

 

기계적인 구조에 의한 리플 발생

 

 

 

영구자석형 모터에서는 입력 전류 외에도, 모터의 기계적·자기적 구조에 의해 토크 변동 성분이 발생할 수 있다.

고정자 슬롯 구조와 영구자석의 배치로 인해, 로터가 회전하면서 공극 자속 분포는 위치에 따라 완전히 동일하지 않다.

이로 인해 로터의 회전 각도에 따라 토크가 미세하게 증가하거나 감소하는 위치 의존적 토크 변동이 발생하게 된다.

이러한 구조적 요인에 의해 발생하는 토크 변동 성분은, 입력 전류에 의해 발생한 토크 리플과 중첩되어 전체 토크 리플을 구성하게 된다.

 

이를 줄이기 위해 다음과 같은 구조적 설계 기법이 사용된다.

• 영구자석 형상 및 배치 최적화
• 슬롯 수 증가
• 권선의 분산 배치

하지만 이러한 구조적 개선은 토크 리플을 감소시킬 수는 있어도,
구조 자체에서 기인한 토크 변동을 완전히 제거하는 것은 어렵다.

 

 

구조적 요인 중 하나인 코깅 토크(Cogging Torque) 는 전류 인가 없이도 발생하는 독립적인 현상으로, 다음 글에서 별도로 정리해 보려고 한다.