고분자 필름 및 구리선 이종 물성을 고려한 EV모터용 헤어핀 성형 공정 해석

Forming Simulation of EV Motor Hairpin by Implementing Mechanical Properties of Polymer Coated Copper Wire

Abstract

As electric vehicles (EV) have increasingly replaced the conventional vehicles with internal combustion engines (ICE), most of automotive makers are actively devoting to the technology development of EV parts. Accordingly, the manufacturing process for power source has been also shifting from engine/transmission to EV motor/reducer system. However, lack of experience in developing the EV motor still remains as a technical challenge. In this paper, we employed the forming simulation based on finite element modeling to solve this problem. In particular, in order to increase the accuracy of the forming simulation, we introduced the elastic-plastic constitutive model parameters for polymer-copper hybrid wire by investigating the individual strain-stress curves, and elastic modulus of polymer and copper. Then, the reliability of modeling procedure was confirmed by comparing the simulated results with experiments. Finally, the identified mechanical properties and finite element modeling were applied to a hairpin forming process, which involves multiple deformation paths such as bending, pressing, widening, and twisting. The proposed numerical approach can replace common experience or experiment based trials by reducing production time and cost in the future.

1. 서론

지구 온난화로 인한 기후 변화 억제를 위하여 전 세계적인 공감대가 형성되고 있는 가운데, 자동차 산업 역시 기존 내연 기관차에서 전기차(EV)로의 급진적 전환이 이루어지고 있다(Fig. 1). 수소전기차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)와 전기차(BEV: Battery Electric Vehicle)의 개발의 가속화가 이루어지고 있고, 그 비중이 급격히 증가하는 추세이다. 최근 국내 자동차사 또한 전기차로의 전향을 이미 선언하였고 그에 발맞추어 전기차 관련 모든 부품의 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 따라 동력원 제조 공정 역시 기존 엔진/변속기에서 EV모터/감속기 생산 체제로 전환되고 있다[1-3].

Fig. 1 Changes in vehicle power source from IC engine to EV motor

하지만 내연기관의 구동계를 주로 생산하던 자동차 브랜드는 전기모터에 대한 제조 경험 부족하고, 또한 구동 모터의 고효율화와 고출력밀도를 위해 환형 코일을 사용한 일반 권선 타입에서 각형의 고정자 권선을 헤어핀 형태로 성형하여 사용하는 새로운 타입의 모터가 요구되고 있는 시점에서, 이러한 요인들 모두가 개발에 대한 리스크로 다가오고 있다.

헤어핀 타입 모터 개발에 따른 제조 경험 부족 및 개발 기간 단축에 따른 조기 품질 확보 등을 위해서는 EV모터의 기술 집약적 접근이 필요하다. 그에 따른 대책으로 기존 제품의 성능/기능 뿐만 아니라, 제조 공정의 가상 검증 역시 필연적이라 볼 수 있다[4]. 특히, EV 모터의 핵심 부품 중 하나인 헤어핀 타입의 권선은 구리선이 고분자 소재로 코팅된 하이브리드 타입의 소재를 성형하여 사용하는데 단일 구리선 또는 고분자 소재의 기계적 성질과는 다른 물성 분석이 선행되어야 한다.

본 논문에서는 구리선-고분자로 구성된 헤어핀의 이종 물성 재질에 대한 유한요소 해석용 물성 데이터 확보 방법 및 헤어핀 성형 공정을 수행하였다. 이후 해석에서 얻어진 결과와 실제 실험을 통한 변형 결과를 비교하여 제안된 유한요소 해석 결과의 신뢰성을 확인하였다. 본 연구에 사용된 해석 모델은 상용 유한요소해석 소프트웨어 PAM-STAMP®[5]이며 소재의 재료 모델은 통상적으로 활용되는 탄-소성 이론에 기초하였다.

2. 본론

2.1 공정 개요 및 주요 변형 모드

전동화 모터를 구성하는 주요 구성품은 Fig. 2와 같이 3상의 교류 전원을 인가하여 회전 자계를 발생시키는 고정자(Stator)와 발생된 회전 자계를 동력으로 회전하는 영구자석인 회전자(Rotor)이다.

Fig. 2 Main components of an electric motor

초기 생산 라인 구축 시 가동률에 가장 큰 영향을 미치는 인자 중 하나는 조립성이다. 특히, 헤어핀을 스테이터에 삽입하는 공정에서 삽입이 원활하게 이루어지지 않는 현상이 현장에서 다수 보고되고 있다. 이러한 현상의 주요 원인으로 코일 성형 완성품(헤어핀)의 치수 편차이며 이와 같은 치수 편차를 보정하기 위한 추가적인 비용이 불가피한 현실이다. 따라서, 본 연구에서는 헤어핀의 치수 불량을 사전에 예측하고 이를 감소할 수 있는 최적 공정을 수립하고자 하였다. 특히, 헤어핀 제조 공정을 통상적으로 활용되고 있는 유한요소 해석을 활용하여 성형 공정 및 이후 발생하는 추가적인 변형인스프링백 현상을 모사하고자 하였다.

헤어핀 제조 공정은 다양한 변형을 동반하는 복잡한 공정이며 Fig. 3에 상세히 나타내었다. 이 중 가장 핵심이 되는 굽힘(bending), 프레스(press), 와이드닝(widening), 트위스팅(twisting) 공정을 본 연구에서는 유한요소 해석에 포함하였다[6-9].

Fig. 3 Main manufacturing process for stator assembly

2.2 재료 물성 및 선행 해석 조건 설정

선행 연구 방법으로 유한요소 해석을 위한 헤어핀 재료 물성 데이터를 확보하였으며, 이는 ‘KS C IEC 60851-3’권선 시험 방법과 동일한 조건에서 구리선에 대한 인장 평가를 기본으로 적용하였다. 이를 통해, 응력-변형률 선도와 탄성계수를 확보하였다. 확보된 물성 데이터의 신뢰성을 판단하기 위하여, 스프링니스(Springness) 실물 평가를 실험적으로 수행하였으며, 실험과 동일한 조건에서 유한요소 해석을 비교 수행하였다. Fig. 4(a)에 상기에 기술된 시험 방법을 도식화 하였으며 Fig. 4(b)는 동일한 실험 조건에서의 유한요소 해석 결과의 예시를 보여주고 있다[10-12].

Fig. 4 Evaluation of springness: (a) test method (KS C IEC 60851-3); (b) example of finite element simulation

실물과 비교한 스프링백 해석 결과는 최대53%의 차이를 보였고, 이는 해석 물성 데이터로 적용하기에는 부적합하다고 판단하였다. 선행 해석 결과 차이에 대한 원인으로 아래의 두 가지 인자를 도출할 수 있었다.

첫번째로 예상되는 인자는 두 가지 재료로 구성된 헤어핀의 단면 구조이다. Fig. 5와 같이, 헤어핀의 재료인 평각 코일은 순수 구리로 이루어져 있고, 구리 표면을 절연피막이 감싸고 있는 구조이다.

Fig. 5 Hairpin forming product and its cross-section

최초 시험을 시도했을 때 금속(구리)의 물성치가 헤어핀 전체의 물성치를 대변할 수 있다고 판단하여 절연 피막이 코팅된 구리선의 통합(integrated) 물성치를 확보하였다. 하지만 구리 면적에 대비하여 절연 피막이 차지하는 비율이 20% 수준으로 적지 않았고, 확인된 절연 피막층의 강도는 해석에서 무시할 정도의 낮은 수준이 아니라 별도로 구현해야 하는 물성이라고 판단되었다.

두 번째 예상 원인은 인장 평가 속도에 대한 변수이다. 헤어핀의 경우 기존 일반 권선형 타입과 달리 성형 품질이 중요하다. 제조 공정상 기존 일반권선형 타입은 코일(권선)을 보빈이라는 부품에 감아서 고정자에 삽입하게 된다. 이 경우에는 코일이 보빈의 형상에 따라 잘 감기어서 코일 내/외부에 손상이 없으면 된다. 따라서 일반 권선형 타입 경우에는 얼마나 잘 늘어나는가(신율)에 초점이 맞춰져 있다고 할 수 있다. 하지만 헤어핀의 경우 치수 제어를 하지 않으면 성형 후 삽입 공정에서 많은 불량이 발생하므로 성형 품질(치수 완성도)이 매우 중요하다. 기존 KS 규격 인장 평가 속도는 300 mm/min으로 준정적 물성 시험 평가 속도에 비해 약 20배 빠른 속도이다. 이는 장력에 의한 파단 평가를 위한 목적이라고 사료되어 지며, 성형 치수를 해석하기 위한 물성 확보용 평가 조건으로는 적절치 않다고 판단되었다.

본 연구에서는 위의 예상 원인을 해소하기 위하여 인장 평가를 위한 (1)절연피막이 제거된 코일 (2)절연 피막 평가용 필름을 확보하였고, (3)인장평가 속도를 변경(변형 속도 0.05~0.5 mm/min) 하였다. 코일의 경우, 직선 선재이기 때문에 시편 제작이 불가하여 선재를 200 mm로 절단한 상태 그대로 시험척에 장착하여 평가하였다. 필름 경우에는 실제품에서 탈피할 수 없어, 동일 재질의 판재 형상으로 제작하여 보완된 임의의 도그바 형상으로 재단하여 단축 인장 시험하였다.

Fig. 6(a)은 순수 구리선 (de-coated) 및 코팅층이 포함된 구리선 (coated)의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 그림에서 보듯이 코팅층이 포함된 코일과 제거된 코일의 응력-변형률 곡선의 차이가 매우 상함을 확인할 수 있었다. 특히, 코팅층이 포함된 구리선의 응력 수준이 더 낮음을 보이고 있으며 이는 상대적으로 강도가 낮은 고분자 층이 상당부분 차지하기 때문이다. Fig. 6(b)는 서로 다른 인장 속도에 대한 구리선의 응력-변형률 곡선을 나타내고 있으며 일반적으로 알려진 바와 같이 속도가 증가할 수록 더 높은 유동응력을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는 금속인 구리와 고분자 모두 변형률 속도에 민감한 소재임을 재확인하는 것으로 유한요소 해석 시 실제 성형공정과 유사한 변형 속도에서의 물성 측정이 매우 중요함을 나타내고 있다.

Fig. 6 Stress-strain curves of (a) coated and de-coated wire; (b) two different tensile speeds

위의 기초 물성 평가를 바탕으로 본 연구에서는 유한요소해석 조건을 구성하였다. 변경된 평가 방법으로 확보된 물성데이터를 유한요소 해석에 적용하기 위해서는 요소의 종류 또한 적절히 선택되어야 한다. 이는 구리층과 코팅층을 분리하여 물성값을 적용하여야 하기 때문이다. 본 연구에서는 구리층은 코팅층을 구현하기 위하여 솔리드(solid) 모델로만 적용하여야 하였고, 코팅층은 상대적으로 두께가 얇아 계산의 효율성을 위하여 판(shell) 요소를 적용하였다. 즉, 코팅층 또한 솔리드 요소로 적용할 수 있으나, 수백 미크론의 두께인 코팅층을 솔리드 모델로 적용하였을 경우에는 요소 크기가 매우 작고 그 개수가 과다하게 생성되어 해석 수행시간 및 데이터 저장 공간 등의 문제가 발생할 것으로 예상되었기 때문이다. 또한, 해석에 사용된 재료 모델은 등 방성이면서 탄-소성 소재로 단순화하였으며 측정된 각 층의 (구리 및 코팅층) 응력-변형률 곡선을 이용하여 경화 모델을 구성하였다.

확보된 데이터 및 설정한 해석 모델을 바탕으로 조건별로 시뮬레이션을 수행하여 최종 결과를 도출하였다. 실물 결과 대비한 해석 오차율은 KS C IEC 60851-3 실험 후 변형 후 각도를 비교한 상대오차로 설정하였으며 이를 Table 1에 설명하였다. 3가지 조건에 대하여 해석을 수행하였으며 응력-변형률 곡선은 구리-코팅층을 통합된 물성으로 보는 조건(integrated)과 각각의 물성을 독립적으로 나타내는(individual)조건으로 나누어 고려하였다. 그 결과 Table 1의 Case 3과 같이 구리선과 코팅층을 각각 고려하고 변형률 속도도 준정적 조건으로 설정하였을 때 가장 높은 수준의 정밀도인 상대오차 3.3% 수준의 신뢰성을 나타내었다.

Table 1 Optimization for simulation conditions​​​​​​​

2.3 공정 해석 및 실물 비교 결과

상기 과정을 통하여 확정된 최종 물성 모델은 Fig. 7과 같다. 비코팅 구리 및 고분자 필름 모두 voce hardening law를 사용하여 모델링을 수행하였고, Parameter는 Table 2와 같다.

Fig. 7 True stress-plastic strain curves of de-coated wire and polymer film​​​​​​​

Table 2 Parameter of Voce law​​​​​​​

헤어핀 요소 사이즈는 0.25 ㎜ 기준으로 모델링하였다. 금형(또는 지그)과 헤어핀의 마찰 계수는 0.12를 적용하였으며 Non-linear penalty 접촉 조건을 부여하였다. 구리와 필름층 경우에는 별도 컨택 조건을 부여하지 않고, 노드를 공유하도록 구현하였다. 총 요소수는 프레스 공정 기준으로 약 50만개 수준이다.

본 연구에 적용된 헤어핀 성형 해석은 굽힘-프레스-와이드닝/트위스팅 공정으로 이루어져 있으며 각 공정별 해석 모델에 대한 설명을 다음에 구체적으로 기술하였다. 즉, Fig. 8에 굽힘 공정, Fig. 9에 프레스 공정, Fig. 10에 와이드닝/트위스팅 공정을 도식화하였다. 각 공정별 유한요소 해석은 각각 개별 공정으로 구현하였고, 초기 조건으로 선행 공정 조건에서의 변형 이력 등을 고려하였다. 특히 본 연구에서는 헤어핀 성형을 적용할 수 있는 여러 타입의 설비에 모두 적용할 수 있도록 범용적으로 구성하였다.

Fig. 8 Bending process for straight wire

Fig. 9 Press process for bended wire

Fig. 10 Widening & Twisting process​​​​​​​

먼저 굽힘 공정에서는 척(Chuck)에 구리선을 고정시켰으며 롤러를 회전시켜 굽힘 변형을 부가하였다(Fig. 8). 프레스 공정에서는 굽힘에 의해 평면에서 변형된 헤어핀을 평면에 수직 방향으로 펀치에 의해 변형을 부가하였다(Fig. 9). 와이드닝/트위스닝 공정은 각각 2개의 부공정으로 나누었으며 이를 통해 최종적으로 헤어핀 부품을 제조할 수 있다(Fig. 10).

본 연구에서는 수립된 유한요소해석 모델의 응용으로 여러가지 공정 변수에 대하여 민감도 연구를 수행하였다. 이를 통하여 구현된 공정의 결과를 활용하여 각 공정의 특성에 대한 연구가 수행되었다. 이로서 공정의 변수에 의한 결과를 미리 예측하고 대비할 수 있었다.

이와 같이 헤어핀 성형을 위한 3가지 주요 공정에 따른 인자를 변화시켜가며 해석을 수행하였으며, 이는 헤어핀 성형 공정의 설비 조건을 사전에 검증할 수 있었다. Fig. 12와 13은 초기 금형 대비 수정된 금형 모델을 나타낸 것으로 홀더와 금형을 그림과 같이 수정하였을 때 스프링백이 2.408 mm에서 0.12~0.14 mm수준으로 매우 감소하였음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 현장에서 실제 금형 등 설비 수정을 수행하였으며 그 결과 금형 수정에 따르는 시행착오를 최소화하여 제작 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 트라이아웃(Tryout) 조건의 가상 검증을 통하여 실물 조건 및 테스트 피스 수량을 축소하여 비용 및 시간을 단축할 수 있을 것으로 예상되어진다.

Fig. 11 Parametric study on bending process: (a) roller angular velocity; (b) chuck separation distance; (c) corner radius of chuck

Fig. 12 Parametric study of press process on the length of die and holder

Fig. 13 Springback after widening/twisting process

마지막으로 해석모델을 통해 구현된 헤어핀 성형공정 중 프레스 공정에 대해서 실제 생산된 제품과 변형량을 비교하여 개발된 해석 모델의 신뢰성을 확인하였다. Table 3의 결과와 같이 헤어핀 성형 치수를 4개의 다른 위치에서 비교하였으며(Fig. 14) 그 결과 약 +0.9~+1.4% 수준의 상대 오차율을 나타내어 본 연구에서 제안된 헤어핀의 구리선 및 코팅재를 동시에 고려한 해석 모델의 정합성을 검증할 수 있었다.

Table 3 Springback of formed hairpin after pressing

Fig. 14 Measuring points of springback (S/B) after pressing process​​​​​​​

3. 결론

본 연구에서는 EV 모터의 부품 중 하나인 헤어핀 성형공정을 유한요소 해석을 통하여 구현하였으며 그 결과를 아래와 같이 요약할 수 있다.

(1) 구리-고분자 코팅층으로 구성된 이종 재료에 대한 유한요소 성형 해석 시 각 구성 소재의 물성 특히 코팅층의 물성을 동시에 고려할 때 해석에 의한 변형양이 정밀하게 모사됨을 확인하였다.

(2) 또한, 헤어핀 성형 치수 예측 시 단순 평가에 이용되는 높은 속도의 물성 측정값은 스프링백을 과도하게 평가할 수 있으며 실제 성형에 적용되는 준정적 상태의 물성 측정이 필요하며 이를 통해 헤어핀 성형 후 변형양을 더 높은 정확도로 예측할 수 있다.

(3) 제안된 물성 데이터와 유한요소해석 모델을 활용하여 각 공정에서의 주요 변수에 따른 변형양을 최적화할 수 있으며 이를 통해 실제 프레스 공정에 적용 시 매우 높은 수준의 정확도로 실험에 의해 측정된 스프링백 양을 예측할 수 있었다.

또한, 본 연구를 통해 얻어진 헤어핀의 물성과 구현된 공정 해석을 활용하면 향후 다음과 같은 효과가 기대된다.

첫째, 제조 설비에 대한 설계 단계 해석 지원 및 설비 구축 전 제조 조건 사전 검증 등을 통한 트라이아웃 기간 단축 및 비용 절감이 이뤄지고, 전체적인 개발 기간 단축 및 제품 원가 절감에도 기여할 수 있으리라 판단된다.

둘째, 실물에서 확인할 수 없고 정성적으로 예상되어지는 문제점에 대하여 가시화/정량화된 데이터 도출을 통해 빠른 개선안 도출이 가능하다.