싱글 모드와 멀티 모드 레이저를 이용한 헤어핀 모터 용접 품질 비교 및 실시간 모니터링 연구 - 백주열 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
최근 친환경 자동차의 수요가 증가함에 따라 성능을 향상시키기 위해 다양한 연구개발이 이루어지고 있으며, 그중 동력을 전달하는 가장 중요한 모터의 출력과 효율을 향상시키는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 그중 모터의 설계를 변경하는 방법으로 기존 환선 권선에서 헤어핀 권선을 사용하면 점적률을 10% 이상 증가시키고 크기를 15% 이상 줄일 수 있다. 또한, 헤어핀 (각선) 형태로 모터를 제작할 경우 제한된 공간에 많은 도체를 사용할 수 있기에 동손을 저감시켜 고효율, 고출력 모터를 제작할 수 있다. 이러한 이유로 동손을 최소화하기 위한 헤어핀 권선 접합 공법이 중요한 연구과제로 각광받고 있다. 헤어핀 모터는 저항, TIG, 레이저 등 여러 가지 접합 공법으로 용접할 수 있다. 저항, TIG 로 용접할 경우 절연체에 열 영향을 주어 절연 결함 및 동손을 저감하기 어렵다. 반면, 레이저 용접을 진행할 경우 넓은 작업 영역을 짧은 시간에 용접하여 열 영향을 최소화하고 생산효율을 극대화할 수 있지만 과도한 스패터로 인한 절연 결함, 용접 내부 기공 발생으로 모터의 전류 밀도 저하와 모터 손상의 문제가 발생하기도 한다. 용접부 결함을 최소화하여 모터의 손상을 방지하기 위해 듀얼 빔 레이저를 활용한 용접 방법이 연구되었는데, 듀얼 빔 레이저는 센터 빔과 링 빔을 독립 제어하여 난용접성 소재인 구리에 최적의 에너지를 공급할 수 있고 스패터 및 기공 저감 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 듀얼 빔 레이저의 출력과 용접 속도를 변수로 조정하여 최적의 헤어핀 모터 용접 공정 조건을 확보할 수 있다. 한편, 헤어핀 모터는 100개 이상의 헤어핀 권선을 용접하고 품질 검사를 위해 인장강도와 단면을 분석하는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 모든 용접부의 품질을 분석할 수 없어 무작위로 선택한 용접부 품질을 분석하고 있으며 모터의 경우 1 개의 용접부의 불량이 발생하여도 모터 전체의 손상을 유발한다. 이런 문제를 해결하기 위해 플라즈마 계측기를 활용하여 실시간으로 용접 품질을 분석할 수 있다. 플라즈마 계측기로 가시광 (플라즈마), 반사광 (출력), 근적외선 (온도) 3 가지 파장의 Intensity 를 측정하고 품질에 따라 비교 분석하고자 한다. 본 연구에서는 선행연구에서 발생한 스패터 및 기공으로 인해 발생하는 헤어핀 모터의 손상을 극복하고자 듀얼 빔 레이저와 플라즈마 계측기를 사용하여 용접 품질 최적화, 스패터 및 기공을 억제하여 헤어핀 모터의 성능을 극대화하고 실시간 용접 품질 모니터링을 진행하여 불량 유출 방지와 생산효율을 극대화하고자 한다.
학위논문(석사)--기계공학과,2024. 8
Keywords: 레이저 용접; 헤어핀 모터