축방향 자속 모터는 방사형 자속 모터에 비해 전기 자동차 설계에 여러 가지 장점을 제공합니다. 예를 들어, 축방향 자속 모터는 모터를 차축에서 바퀴 안쪽으로 이동시켜 파워트레인 설계를 변경할 수 있습니다.
1. 권력의 축
축방향 자속 모터전기 모터는 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 오랫동안 엘리베이터나 농기계와 같은 고정식 장비에 사용되어 왔지만, 지난 10년 동안 많은 개발자들이 이 기술을 개선하여 전기 오토바이, 공항 셔틀, 화물 트럭, 전기 자동차, 심지어 비행기에까지 적용하기 위해 노력해 왔습니다.
기존의 방사형 자속 모터는 영구 자석이나 유도 모터를 사용하는데, 이러한 모터들은 무게와 비용 최적화 측면에서 상당한 발전을 이루었습니다. 그러나 지속적인 개발에는 여전히 많은 어려움이 있습니다. 완전히 다른 유형의 모터인 축방향 자속 모터는 좋은 대안이 될 수 있습니다.
방사형 모터와 비교했을 때, 축방향 자속 영구 자석 모터의 유효 자기 표면적은 모터 회전자의 외경이 아닌 표면적입니다. 따라서 동일한 부피의 모터에서 축방향 자속 영구 자석 모터는 일반적으로 더 큰 토크를 제공할 수 있습니다.
축방향 자속 모터축방향 모터는 더욱 컴팩트합니다. 방사형 모터에 비해 모터의 축 방향 길이가 훨씬 짧습니다. 이는 내륜 모터의 경우 매우 중요한 요소입니다. 축방향 모터의 컴팩트한 구조는 유사한 방사형 모터보다 높은 출력 밀도와 토크 밀도를 보장하므로, 극도로 높은 작동 속도가 필요하지 않습니다.
축방향 자속 모터의 효율은 매우 높아서 일반적으로 96%를 초과합니다. 이는 더 짧고 1차원적인 자속 경로 덕분이며, 시중 최고의 2차원 방사형 자속 모터와 비교했을 때 효율이 비슷하거나 더 높습니다.
모터의 길이는 일반적으로 5~8배 짧아지고, 무게 또한 2~5배 감소합니다. 이러한 두 가지 요인이 전기차 플랫폼 설계자들의 선택에 변화를 가져왔습니다.
2. 축방향 자속 기술
토폴로지에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.축방향 자속 모터이중 회전자 단일 고정자(때때로 토러스형 기계라고도 함) 및 단일 회전자 이중 고정자.
현재 대부분의 영구 자석 모터는 방사형 자속 구조를 사용합니다. 자속 회로는 회전자(로터)의 영구 자석에서 시작하여 고정자(스테이터)의 첫 번째 치아를 통과한 후 고정자를 따라 방사형으로 흐릅니다. 그런 다음 두 번째 치아를 통과하여 회전자의 두 번째 자석에 도달합니다. 이중 회전자 축 방향 자속 구조에서는 자속 고리가 첫 번째 자석에서 시작하여 고정자 치아를 축 방향으로 통과한 후 곧바로 두 번째 자석에 도달합니다.
이는 자속 경로가 방사형 자속 모터보다 훨씬 짧다는 것을 의미하며, 결과적으로 모터 부피가 작아지고 동일한 출력에서 더 높은 출력 밀도와 효율을 얻을 수 있습니다.
자기장이 첫 번째 치아를 통과한 후 고정자를 통해 다음 치아로 되돌아와 자석에 도달하는 방사형 모터입니다. 자기장은 2차원 경로를 따릅니다.
축방향 자속 시험기의 자속 경로가 1차원이므로, 방향성 전기강판을 사용할 수 있습니다. 이 강판은 자속의 통과를 용이하게 하여 효율을 향상시킵니다.
전통적인 방사형 자속 모터는 권선 끝의 최대 절반이 작동하지 않는 분산 권선을 사용합니다. 코일 돌출부는 무게, 비용, 전기 저항 및 열 손실을 증가시키므로 설계자는 권선 설계를 개선해야 합니다.
코일 끝부분축방향 자속 모터손실은 훨씬 적으며, 일부 설계에서는 집중 권선이나 분할 권선을 사용하는데, 이는 매우 효과적입니다. 분할형 고정자 방사형 모터의 경우, 고정자 내 자속 경로의 단절로 인해 추가적인 손실이 발생할 수 있지만, 축방향 자속 모터에서는 문제가 되지 않습니다. 코일 권선 설계는 공급업체의 수준을 구분하는 핵심 요소입니다.
3. 개발
축방향 자속 모터는 기술적 이점에도 불구하고 설계 및 생산에 있어 심각한 문제에 직면해 있으며, 비용이 방사형 모터보다 훨씬 높습니다. 반면, 방사형 모터에 대해서는 사람들이 매우 잘 이해하고 있으며, 제조 방법과 기계 장비 또한 쉽게 구할 수 있습니다.
축방향 자속 모터의 주요 과제 중 하나는 회전자와 고정자 사이의 공극을 균일하게 유지하는 것입니다. 자력이 방사형 모터보다 훨씬 크기 때문에 균일한 공극을 유지하기가 어렵습니다. 또한 이중 회전자 축방향 자속 모터는 권선이 고정자 깊숙한 곳과 두 회전자 디스크 사이에 위치하여 열 방출이 매우 어렵다는 문제점을 안고 있습니다.
축방향 자속 모터는 여러 가지 이유로 제조가 어렵습니다. 요크 토폴로지(즉, 고정자에서 철 요크를 제거하되 철 이빨은 유지하는 방식)를 사용하는 이중 회전자 모터는 모터 직경과 자석을 확장하지 않고도 이러한 문제 중 일부를 해결할 수 있습니다.
하지만 요크를 제거하면 기계적인 요크 연결 없이 개별 치아를 고정하고 위치를 조정하는 방법과 같은 새로운 과제가 발생합니다. 냉각 또한 더욱 어려워집니다.
로터 디스크가 로터를 끌어당기기 때문에 로터를 제작하고 공극을 유지하는 것도 어렵습니다. 하지만 로터 디스크들이 샤프트 링을 통해 직접 연결되어 있어 힘이 서로 상쇄된다는 장점이 있습니다. 즉, 내부 베어링은 이러한 힘을 견딜 필요가 없으며, 단지 스테이터를 두 로터 디스크 사이의 중간 위치에 유지하는 역할만 합니다.
이중 고정자 단일 회전자 모터는 원형 회전자 모터가 직면한 문제점은 없지만, 고정자 설계가 훨씬 복잡하고 자동화가 어려우며 관련 비용 또한 높습니다. 기존의 방사형 자속 모터와는 달리, 축류형 모터의 제조 공정 및 기계 장비는 최근에야 등장했습니다.
4. 전기 자동차의 응용
자동차 산업에서 신뢰성은 매우 중요하며, 다양한 제품의 신뢰성과 견고성을 입증하는 것이 필수적입니다.축방향 자속 모터이러한 모터가 대량 생산에 적합하다는 것을 제조업체들에게 확신시키는 것은 항상 어려운 과제였습니다. 이로 인해 축류 모터 공급업체들은 자체적으로 광범위한 검증 프로그램을 수행해 왔으며, 각 공급업체는 자사 모터의 신뢰성이 기존의 방사형 자속 모터와 다르지 않다는 것을 입증해 왔습니다.
마모될 수 있는 유일한 부품은축방향 자속 모터베어링이 핵심입니다. 축 방향 자속의 길이는 비교적 짧고, 베어링의 위치는 더 가깝기 때문에 일반적으로 약간 "과대 설계"됩니다. 다행히 축 방향 자속 모터는 회전자 질량이 작아 회전자 축에 가해지는 동적 하중을 낮게 유지할 수 있습니다. 따라서 베어링에 실제로 가해지는 힘은 방사형 자속 모터보다 훨씬 작습니다.
전자식 차축은 축형 모터의 초기 응용 사례 중 하나입니다. 차축의 폭이 얇아 모터와 기어박스를 차축 내부에 통합할 수 있습니다. 하이브리드 시스템에서 모터의 축 방향 길이가 짧아지면 전체 변속 시스템의 길이도 단축됩니다.
다음 단계는 축류 모터를 바퀴에 설치하는 것입니다. 이렇게 하면 모터에서 바퀴로 동력을 직접 전달할 수 있어 모터 효율이 향상됩니다. 변속기, 차동장치, 구동축이 없어지므로 시스템의 복잡성도 줄어듭니다.
하지만 아직 표준 구성은 정립되지 않은 것으로 보입니다. 각 자동차 제조사는 축류 모터의 크기와 모양이 전기차 설계에 영향을 미칠 수 있기 때문에 특정 구성에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 축류 모터는 방사형 모터에 비해 출력 밀도가 높아 더 작은 크기의 모터를 사용할 수 있습니다. 이는 배터리 팩 배치와 같은 차량 플랫폼 설계에 새로운 가능성을 열어줍니다.
4.1 분할형 전기자
YASA(Yokeless and Segmented Armature) 모터 구조는 이중 회전자 단일 고정자 구조의 한 예로, 제조 복잡성을 줄이고 자동화된 대량 생산에 적합합니다. 이 모터는 2000~9000rpm의 회전 속도에서 최대 10kW/kg의 출력 밀도를 제공합니다.
전용 컨트롤러를 사용하면 모터에 최대 200kVA의 전류를 공급할 수 있습니다. 이 컨트롤러는 약 5리터의 부피와 5.8kg의 무게를 가지며, 유전체 오일 냉각 방식의 열 관리 기능을 포함하고 있습니다. 축방향 자속 모터뿐만 아니라 유도 및 방사형 자속 모터에도 적합합니다.
이를 통해 전기차 OEM(주문자 생산 방식) 업체와 1차 개발 업체는 용도와 가용 공간에 따라 적절한 모터를 유연하게 선택할 수 있습니다. 크기와 무게가 작아 차량 무게가 가벼워지고 배터리 탑재량을 늘려 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다.
5. 전기 오토바이의 응용 분야
전기 오토바이와 ATV용으로 몇몇 회사들이 AC 축방향 자속 모터를 개발해 왔습니다. 이러한 차량에 일반적으로 사용되는 설계는 DC 브러시 기반 축방향 자속 모터이지만, 새로 개발된 제품은 AC 완전 밀폐형 브러시리스 모터입니다.
직류 모터와 교류 모터 모두 코일은 고정되어 있지만, 이중 회전자에는 회전하는 전기자 대신 영구 자석이 사용됩니다. 이 방식의 장점은 기계적인 역회전이 필요 없다는 것입니다.
AC 축류형 설계는 방사형 모터에 사용되는 표준 3상 AC 모터 컨트롤러를 사용할 수도 있습니다. 컨트롤러가 속도가 아닌 토크의 전류를 제어하기 때문에 비용 절감에 도움이 됩니다. 컨트롤러에는 12kHz 이상의 주파수가 필요하며, 이는 이러한 장치의 주류 주파수입니다.
더 높은 주파수는 20µH의 낮은 권선 인덕턴스에서 비롯됩니다. 이 주파수를 통해 전류를 제어하여 전류 리플을 최소화하고 가능한 한 매끄러운 정현파 신호를 생성할 수 있습니다. 동적 관점에서 볼 때, 이는 빠른 토크 변화를 가능하게 하여 모터 제어를 더욱 부드럽게 만드는 훌륭한 방법입니다.
이 설계는 분산형 이중 권선을 채택하여 자속이 회전자에서 고정자를 통해 다른 회전자로 흐르도록 함으로써 매우 짧은 경로와 높은 효율을 제공합니다.
이 설계의 핵심은 최대 60V의 전압에서 작동할 수 있으며 더 높은 전압 시스템에는 적합하지 않다는 점입니다. 따라서 전기 오토바이 및 르노 트위지와 같은 L7e급 사륜차에 사용할 수 있습니다.
최대 전압이 60V이므로 모터를 일반적인 48V 전기 시스템에 통합할 수 있으며 유지 보수 작업이 간소화됩니다.
유럽 기본규정 2002/24/EC의 L7e 4륜 오토바이 규격은 화물 운송용 차량의 중량이 배터리 중량을 제외하고 600kg을 초과하지 않도록 규정하고 있습니다. 이러한 차량은 승객 200kg 이하, 화물 1,000kg 이하, 엔진 출력 15kW 이하로 운송할 수 있습니다. 분산 권선 방식은 75~100Nm의 토크, 20~25kW의 최대 출력, 15kW의 연속 출력을 제공할 수 있습니다.
축방향 자속 구현의 핵심 과제는 구리 권선의 열 방출 방식입니다. 열이 회전자를 통과해야 하므로 이는 매우 어려운 문제입니다. 분산 권선은 이러한 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 분산 권선은 다수의 극 슬롯을 가지고 있어 구리와 외피 사이의 접촉면적이 넓어지고, 열이 외부로 전달되어 일반적인 액체 냉각 시스템으로 효과적으로 방출될 수 있습니다.
정현파 형태를 활용하는 데 있어 여러 개의 자기극은 핵심적인 요소이며, 이는 고조파를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 고조파는 자석과 코어의 발열로 나타나는데, 구리 부품은 열을 효과적으로 방출하지 못합니다. 자석과 철심에 열이 축적되면 효율이 저하되므로, 파형과 열 전달 경로를 최적화하는 것이 모터 성능에 매우 중요합니다.
모터 설계는 비용 절감 및 자동화된 대량 생산을 달성하도록 최적화되었습니다. 압출 성형 하우징 링은 복잡한 기계 가공이 필요하지 않아 재료비를 절감할 수 있습니다. 코일은 직접 감을 수 있으며, 권선 과정에서 접합 공정을 사용하여 정확한 조립 형상을 유지합니다.
핵심은 코일이 시중에서 구할 수 있는 표준 전선으로 만들어지고, 철심은 일반적인 변압기용 강판을 적층하여 사용하는데, 이는 필요한 모양으로 절단하기만 하면 된다는 점입니다. 다른 모터 설계에서는 철심 적층에 연자성 재료를 사용해야 하는데, 이는 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
분산 권선을 사용하면 자성 강판을 분할할 필요가 없으므로 형태를 단순화하고 제조를 용이하게 할 수 있습니다. 자성 강판의 크기를 줄이고 제조를 용이하게 하는 것은 비용 절감에 상당한 영향을 미칩니다.
이 축방향 자속 모터의 설계는 고객 요구 사항에 따라 맞춤 제작이 가능합니다. 고객은 기본 설계를 기반으로 맞춤형 버전을 개발할 수 있으며, 이를 시험 생산 라인에서 제조하여 초기 생산 검증을 거친 후 다른 공장에서도 동일한 방식으로 생산할 수 있습니다.
맞춤 제작이 주된 이유는 차량 성능이 축방향 자속 모터의 설계뿐만 아니라 차량 구조, 배터리 팩 및 BMS의 품질에도 달려 있기 때문입니다.
게시 시간: 2023년 9월 28일
