축 방향 플럭스 모터는 방사형 플럭스 모터에 비해 전기 자동차 설계에 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어, 축 방향 플럭스 모터는 모터를 차축에서 바퀴 안쪽으로 이동시켜 파워트레인의 설계를 변경할 수 있습니다.
1.권력의 축
축 플럭스 모터점점 더 많은 관심을 받고 있습니다(추진력 확보). 이러한 유형의 모터는 오랫동안 엘리베이터나 농업 기계와 같은 고정형 장비에 사용되어 왔지만, 지난 10년 동안 많은 개발자들이 이 기술을 개선하고 전기 오토바이, 공항 포드, 화물 트럭, 전기 자동차, 심지어 비행기에도 적용하기 위해 노력해 왔습니다.
기존의 방사형 플럭스 모터는 영구 자석이나 유도 모터를 사용하는데, 이는 무게와 비용 최적화 측면에서 상당한 진전을 이루었습니다. 그러나 지속적인 개발에는 많은 어려움이 있습니다. 완전히 다른 유형의 모터인 축 방향 플럭스가 좋은 대안이 될 수 있습니다.
방사형 모터와 비교했을 때, 축방향 플럭스 영구자석 모터의 유효 자기 표면적은 모터 회전자의 외경이 아닌 표면입니다. 따라서 특정 체적의 모터에서는 축방향 플럭스 영구자석 모터가 일반적으로 더 높은 토크를 제공할 수 있습니다.
축 플럭스 모터더 컴팩트합니다. 레이디얼 모터에 비해 모터의 축 방향 길이가 훨씬 짧습니다. 내륜 모터의 경우, 이는 종종 중요한 요소입니다. 축 방향 모터의 컴팩트한 구조는 유사한 레이디얼 모터보다 더 높은 출력 밀도와 토크 밀도를 보장하여 매우 높은 작동 속도가 필요하지 않습니다.
축 방향 플럭스 모터의 효율 또한 매우 높아 일반적으로 96%를 초과합니다. 이는 더 짧은 1차원 플럭스 경로 덕분에 가능하며, 시중 최고의 2D 방사형 플럭스 모터와 비교했을 때 효율이 비슷하거나 더 높습니다.
모터 길이는 일반적으로 5~8배 더 짧아지고 무게도 2~5배 가벼워졌습니다. 이 두 가지 요인이 전기차 플랫폼 설계자들의 선택에 변화를 가져왔습니다.
2. 축 플럭스 기술
두 가지 주요 토폴로지가 있습니다.축 플럭스 모터: 듀얼 로터 싱글 스테이터(때때로 토러스 스타일 기계라고도 함)와 싱글 로터 듀얼 스테이터.
현재 대부분의 영구 자석 모터는 방사형 플럭스 토폴로지를 사용합니다. 자속 회로는 회전자의 영구 자석에서 시작하여 고정자의 첫 번째 톱니를 통과한 후 고정자를 따라 방사형으로 흐릅니다. 그런 다음 두 번째 톱니를 통과하여 회전자의 두 번째 자철에 도달합니다. 이중 회전자 축 방향 플럭스 토폴로지에서는 자속 루프가 첫 번째 자석에서 시작하여 고정자 톱니를 축 방향으로 통과한 후 바로 두 번째 자석에 도달합니다.
즉, 플럭스 경로가 방사형 플럭스 모터보다 훨씬 짧아 모터 용량이 작아지고, 동일한 전력에서 전력 밀도와 효율성이 높아집니다.
자속이 첫 번째 톱니를 통과한 후 고정자를 거쳐 다음 톱니로 돌아와 자석에 도달하는 방사형 모터입니다. 자속은 2차원 경로를 따릅니다.
축방향 자속기의 자속 경로는 1차원이므로, 방향성 전기강판을 사용할 수 있습니다. 이 강판은 자속의 통과를 용이하게 하여 효율을 향상시킵니다.
레이디얼 플럭스 모터는 전통적으로 분산 권선을 사용하는데, 권선 끝단의 최대 절반이 작동하지 않습니다. 코일 돌출부는 무게, 비용, 전기 저항, 그리고 더 많은 열 손실을 초래하여 설계자들이 권선 설계를 개선해야 하는 부담을 안겨줍니다.
코일 끝부분축 플럭스 모터훨씬 적으며, 일부 설계에서는 집중 권선이나 분할 권선을 사용하는데, 이는 매우 효과적입니다. 분할형 고정자 방사형 모터의 경우, 고정자 자속 경로의 단절은 추가 손실을 초래할 수 있지만, 축 방향 자속 모터의 경우 이는 문제가 되지 않습니다. 코일 권선의 설계는 공급업체의 수준을 구분하는 핵심 요소입니다.
3. 개발
축 플럭스 모터는 기술적 이점에도 불구하고 설계 및 생산 측면에서 심각한 어려움을 겪고 있습니다. 방사형 모터보다 비용이 훨씬 높습니다. 사람들은 방사형 모터에 대한 이해가 매우 깊고, 제조 방법과 기계 장비 또한 쉽게 구할 수 있습니다.
축 플럭스 모터의 주요 과제 중 하나는 로터와 스테이터 사이에 균일한 공극을 유지하는 것입니다. 자기력이 레이디얼 모터보다 훨씬 강하기 때문에 균일한 공극을 유지하기가 어렵습니다. 또한, 듀얼 로터 축 플럭스 모터는 권선이 스테이터 내부 깊숙이 위치하여 두 로터 디스크 사이에 위치하기 때문에 방열 문제가 발생하여 방열이 매우 어렵습니다.
축 플럭스 모터는 여러 가지 이유로 제작이 어렵습니다. 요크 토폴로지(즉, 고정자에서 철 요크를 제거하고 철 톱니는 그대로 유지하는)를 갖춘 듀얼 로터 기계를 사용하는 듀얼 로터 기계는 모터 직경과 자석을 확장하지 않고도 이러한 문제 중 일부를 해결합니다.
그러나 요크를 제거하면 기계적 요크 연결 없이 개별 치아를 고정하고 위치를 조정하는 방법 등 새로운 과제가 발생합니다. 냉각 또한 더 큰 과제입니다.
로터 디스크가 로터를 끌어당기기 때문에 로터를 제작하고 공극을 유지하는 것도 어렵습니다. 장점은 로터 디스크가 샤프트 링을 통해 직접 연결되어 있어 힘이 서로 상쇄된다는 것입니다. 즉, 내부 베어링은 이러한 힘을 견디지 못하고, 스테이터를 두 로터 디스크 사이의 중간 위치에 고정하는 역할만 합니다.
이중 고정자 단일 회전자 모터는 원형 모터가 겪는 어려움은 없지만, 고정자 설계가 훨씬 복잡하고 자동화가 어려우며 관련 비용 또한 높습니다. 기존의 방사형 플럭스 모터와 달리, 축 모터 제조 공정과 기계 장비는 최근에야 등장했습니다.
4. 전기자동차의 적용
자동차 산업에서는 신뢰성이 매우 중요하며 다양한 제품의 신뢰성과 견고성을 입증합니다.축 플럭스 모터이러한 모터가 대량 생산에 적합하다는 것을 제조업체에 확신시키는 것은 항상 어려운 과제였습니다. 이로 인해 축 모터 공급업체들은 자체적으로 광범위한 검증 프로그램을 수행하여 각 공급업체가 자사 모터의 신뢰성이 기존의 방사형 플럭스 모터와 다르지 않음을 입증했습니다.
마모될 수 있는 유일한 구성 요소축 플럭스 모터베어링입니다. 축 방향 자속의 길이는 비교적 짧고 베어링의 위치는 더 가깝기 때문에 일반적으로 약간 "과대"하게 설계됩니다. 다행히 축 방향 자속 모터는 회전자 질량이 더 작고 더 낮은 회전자 동적 축 하중을 견딜 수 있습니다. 따라서 베어링에 가해지는 실제 힘은 반경 방향 자속 모터보다 훨씬 작습니다.
전자식 액슬은 축 모터의 초기 적용 분야 중 하나입니다. 더 얇은 폭은 모터와 기어박스를 액슬 안에 내장할 수 있습니다. 하이브리드 적용에서는 모터의 축 길이가 짧아져 변속 시스템의 전체 길이가 짧아집니다.
다음 단계는 휠에 축 모터를 설치하는 것입니다. 이렇게 하면 모터에서 휠로 동력을 직접 전달하여 모터의 효율을 향상시킬 수 있습니다. 변속기, 차동 장치, 구동축이 제거됨에 따라 시스템의 복잡성도 감소했습니다.
하지만 아직 표준 구성은 나오지 않은 것으로 보입니다. 각 OEM은 축 모터의 크기와 형태가 전기 자동차의 설계에 영향을 미칠 수 있기 때문에 구체적인 구성을 연구하고 있습니다. 축 모터는 방사형 모터에 비해 전력 밀도가 높아 더 작은 축 모터를 사용할 수 있습니다. 이는 배터리 팩 배치와 같은 차량 플랫폼에 새로운 설계 옵션을 제공합니다.
4.1 세그먼트형 전기자
YASA(Yokeless and Segmented Armature) 모터 토폴로지는 제조 복잡성을 줄이고 자동화된 대량 생산에 적합한 듀얼 로터 싱글 스테이터 토폴로지의 한 예입니다. 이 모터는 2000~9000rpm의 속도에서 최대 10kW/kg의 전력 밀도를 제공합니다.
전용 컨트롤러를 사용하여 모터에 200kVA의 전류를 공급할 수 있습니다. 컨트롤러의 부피는 약 5리터이고 무게는 5.8kg이며, 유전 오일 냉각 방식을 사용한 열 관리 기능을 갖추고 있어 축 방향 플럭스 모터뿐만 아니라 유도 및 방사형 플럭스 모터에도 적합합니다.
이를 통해 전기차 OEM과 1차 개발사는 용도와 가용 공간에 따라 적합한 모터를 유연하게 선택할 수 있습니다. 더 작은 크기와 무게는 차량의 무게를 줄이고 더 많은 배터리를 탑재하여 주행거리를 증가시킵니다.
5. 전기 오토바이의 적용
전기 오토바이와 ATV용으로 일부 회사에서 AC 축 플럭스 모터를 개발했습니다. 이러한 유형의 차량에 일반적으로 사용되는 설계는 DC 브러시 기반 축 플럭스 설계이지만, 신제품은 AC 완전 밀봉형 브러시리스 설계입니다.
DC 및 AC 모터의 코일은 고정되어 있지만, 이중 로터는 회전하는 전기자 대신 영구 자석을 사용합니다. 이 방식의 장점은 기계적인 역회전이 필요하지 않다는 것입니다.
AC 축형 설계는 레이디얼 모터에 표준 3상 AC 모터 컨트롤러를 사용할 수도 있습니다. 이는 컨트롤러가 속도가 아닌 토크 전류를 제어하므로 비용 절감에 도움이 됩니다. 컨트롤러는 이러한 장치의 주요 주파수인 12kHz 이상의 주파수를 필요로 합니다.
더 높은 주파수는 20µH의 낮은 권선 인덕턴스에서 비롯됩니다. 이 주파수는 전류 리플을 최소화하고 정현파 신호를 최대한 부드럽게 유지하도록 전류를 제어할 수 있습니다. 동적 관점에서 볼 때, 이는 빠른 토크 변화를 허용하여 모터를 더욱 부드럽게 제어하는 좋은 방법입니다.
이 설계는 분산형 이중층 권선을 채택하여 자속이 고정자를 통해 회전자에서 다른 회전자로 흐르므로 경로가 매우 짧고 효율이 더 높습니다.
이 설계의 핵심은 최대 60V 전압에서 작동할 수 있으며, 그보다 높은 전압 시스템에는 적합하지 않다는 것입니다. 따라서 전기 오토바이 및 르노 트위지와 같은 L7e급 사륜차에 사용할 수 있습니다.
최대 60V의 전압으로 모터를 일반적인 48V 전기 시스템에 통합할 수 있으며 유지관리 작업이 간소화됩니다.
유럽 기본 규정 2002/24/EC의 L7e 사륜 오토바이 사양은 배터리 무게를 제외하고 화물 운송에 사용되는 차량의 무게가 600kg을 초과하지 않도록 규정하고 있습니다. 이러한 차량은 최대 승객 200kg, 최대 화물 1,000kg, 최대 엔진 출력 15kW를 초과할 수 없습니다. 분산 권선 방식은 75~100Nm의 토크를 제공할 수 있으며, 최대 출력은 20~25kW, 연속 출력은 15kW입니다.
축 방향 플럭스의 문제는 구리 권선이 열을 어떻게 발산하는지에 있는데, 열이 로터를 통과해야 하기 때문에 이는 어렵습니다. 분산 권선은 많은 극 슬롯을 가지고 있어 이 문제를 해결하는 핵심 요소입니다. 이를 통해 구리와 쉘 사이의 표면적이 넓어지고, 열은 외부로 전달되어 표준 액체 냉각 시스템을 통해 배출될 수 있습니다.
여러 개의 자극은 고조파를 줄이는 데 도움이 되는 사인파 형태를 활용하는 데 핵심적입니다. 이러한 고조파는 자석과 철심의 발열로 나타나는데, 구리 부품은 열을 흡수하지 못합니다. 자석과 철심에 열이 축적되면 효율이 저하되므로, 모터 성능을 위해서는 파형과 열 경로를 최적화하는 것이 매우 중요합니다.
모터 설계는 비용 절감 및 자동화된 대량 생산을 위해 최적화되었습니다. 압출 하우징 링은 복잡한 기계 가공이 필요하지 않아 재료비를 절감할 수 있습니다. 코일은 직접 감을 수 있으며, 권취 과정에서 본딩 공정을 통해 정확한 조립 형상을 유지합니다.
핵심은 코일은 시중에서 판매되는 표준 와이어로 제작되고, 철심은 표준 기성 변압기 강판으로 적층되어 있어, 간단히 모양을 다듬기만 하면 된다는 것입니다. 다른 모터 설계는 코어 적층에 연자성 재료를 사용해야 하는데, 이는 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
분산 권선을 사용하면 자성강을 분할할 필요가 없습니다. 자성강의 모양을 더 단순하게 만들고 제조를 용이하게 할 수 있습니다. 자성강의 크기를 줄이고 제조 용이성을 확보하는 것은 비용 절감에 큰 영향을 미칩니다.
이 축 플럭스 모터의 설계는 고객 요구 사항에 따라 맞춤 제작이 가능합니다. 고객은 기본 설계를 기반으로 맞춤형 버전을 개발할 수 있습니다. 이후 초기 생산 검증을 위해 시험 생산 라인에서 제작되며, 이는 다른 공장에서도 재현될 수 있습니다.
맞춤형 제작의 주된 이유는 차량의 성능이 축 자속 모터의 설계에만 달려 있는 것이 아니라 차량 구조, 배터리 팩, BMS의 품질에 따라서도 달라지기 때문입니다.
게시 시간: 2023년 9월 28일
