방사상 자속 모터와 비교하여 축 자속 모터는 전기 자동차 설계에 많은 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 축 자속 모터는 모터를 축에서 바퀴 내부로 이동하여 파워트레인의 설계를 변경할 수 있습니다.
1. 권력의 축
축방향 자속 모터점점 더 많은 관심을 받고 있습니다(견인력 확보). 수년 동안 이러한 유형의 모터는 엘리베이터 및 농업 기계와 같은 고정 응용 분야에 사용되어 왔지만 지난 10년 동안 많은 개발자는 이 기술을 개선하고 전기 오토바이, 공항 포드, 화물 트럭, 전기 자동차에 적용하기 위해 노력해 왔습니다. 자동차는 물론 비행기까지.
기존의 방사형 자속 모터는 영구 자석이나 유도 모터를 사용하여 무게와 비용을 최적화하는 데 상당한 진전을 이루었습니다. 그러나 계속해서 발전하는 데에는 많은 어려움에 직면합니다. 완전히 다른 유형의 모터인 축속(Axial Flux)이 좋은 대안이 될 수 있습니다.
방사형 모터와 비교하여 축 자속 영구 자석 모터의 유효 자기 표면적은 외경이 아닌 모터 회전자의 표면입니다. 따라서 특정 양의 모터에서 축 방향 자속 영구 자석 모터는 일반적으로 더 큰 토크를 제공할 수 있습니다.
축방향 자속 모터더 컴팩트합니다. 방사형 모터에 비해 모터의 축 길이가 훨씬 짧습니다. 내부 휠 모터의 경우 이는 종종 중요한 요소입니다. 축형 모터의 컴팩트한 구조는 유사한 방사형 모터보다 더 높은 출력 밀도와 토크 밀도를 보장하므로 극도로 높은 작동 속도가 필요하지 않습니다.
축방향 자속 모터의 효율도 매우 높아 일반적으로 96%를 초과합니다. 이는 더 짧은 1차원 자속 경로 덕분이며, 이는 시중 최고의 2D 방사상 자속 모터와 비교하여 효율성이 비슷하거나 훨씬 더 높습니다.
모터의 길이도 짧아져 보통 5~8배 정도 짧아지고, 무게도 2~5배 정도 줄어든다. 이 두 가지 요소는 전기 자동차 플랫폼 설계자의 선택을 변화시켰습니다.
2. 축방향 플럭스 기술
두 가지 주요 토폴로지가 있습니다.축방향 자속 모터: 이중 회전자 단일 고정자(때때로 토러스 스타일 기계라고도 함) 및 단일 회전자 이중 고정자.
현재 대부분의 영구 자석 모터는 방사형 자속 토폴로지를 사용합니다. 자속 회로는 회전자의 영구 자석에서 시작하여 고정자의 첫 번째 치형을 통과한 다음 고정자를 따라 방사형으로 흐릅니다. 그런 다음 두 번째 톱니를 통과하여 로터의 두 번째 자성 강철에 도달합니다. 이중 회전자 축 자속 토폴로지에서 자속 루프는 첫 번째 자석에서 시작하여 고정자 톱니를 축 방향으로 통과하고 두 번째 자석에 즉시 도달합니다.
이는 자속 경로가 방사형 자속 모터보다 훨씬 짧아서 모터 용량이 더 작고, 전력 밀도가 더 높으며, 동일한 전력에서 효율이 높다는 것을 의미합니다.
자속이 첫 번째 톱니를 통과한 후 고정자를 통해 다음 톱니로 돌아와 자석에 도달하는 방사형 모터입니다. 자속은 2차원 경로를 따릅니다.
축방향 자속 기계의 자속 경로는 1차원이므로 방향성 전기강판을 사용할 수 있습니다. 이 강철은 플럭스가 더 쉽게 통과하도록 하여 효율성을 향상시킵니다.
방사형 자속 모터는 전통적으로 분산 권선을 사용하며 권선 끝의 최대 절반이 작동하지 않습니다. 코일 돌출부로 인해 무게, 비용, 전기 저항이 추가되고 열 손실도 늘어나 설계자는 권선 설계를 개선해야 합니다.
코일 끝은축방향 자속 모터훨씬 적으며 일부 설계에서는 완전히 효과적인 집중형 또는 분할형 권선을 사용합니다. 세그먼트형 고정자 방사형 기계의 경우 고정자 자속 경로의 파열로 인해 추가 손실이 발생할 수 있지만 축형 자속 모터의 경우 이는 문제가 되지 않습니다. 코일 권선의 디자인은 공급업체의 수준을 구별하는 열쇠입니다.
3. 개발
축방향 자속 모터는 기술적 이점에도 불구하고 설계 및 생산에서 몇 가지 심각한 문제에 직면해 있으며 비용은 방사형 모터보다 훨씬 높습니다. 사람들은 레이디얼 모터에 대해 매우 철저하게 이해하고 있으며, 제조 방법과 기계 장비도 쉽게 사용할 수 있습니다.
축방향 자속 모터의 주요 과제 중 하나는 회전자와 고정자 사이에 균일한 공극을 유지하는 것입니다. 왜냐하면 자기력이 방사형 모터의 자기력보다 훨씬 커서 균일한 공극을 유지하기 어렵기 때문입니다. 이중 회전자 축 자속 모터에도 열 방출 문제가 있습니다. 권선이 고정자 내부와 두 개의 회전자 디스크 사이에 깊숙이 위치하여 열 방출이 매우 어렵기 때문입니다.
축방향 자속 모터 역시 여러 가지 이유로 제조가 어렵습니다. 요크 토폴로지(즉, 고정자에서 철 요크를 제거하지만 철 톱니는 유지)를 갖춘 듀얼 로터 기계를 사용하는 듀얼 로터 기계는 모터 직경과 자석을 확장하지 않고도 이러한 문제 중 일부를 극복합니다.
그러나 요크를 제거하면 기계적 요크 연결 없이 개별 치아를 고정하고 위치를 지정하는 방법과 같은 새로운 과제가 발생합니다. 냉각 역시 더 큰 과제입니다.
또한 로터 디스크가 로터를 끌어당기기 때문에 로터 제작 및 에어 갭 유지도 어렵습니다. 장점은 로터 디스크가 샤프트 링을 통해 직접 연결되므로 힘이 서로 상쇄된다는 것입니다. 이는 내부 베어링이 이러한 힘을 견디지 못하며 유일한 기능은 고정자를 두 로터 디스크 사이의 중간 위치에 유지하는 것입니다.
이중 고정자 단일 회전자 모터는 원형 모터의 문제에 직면하지 않지만 고정자의 설계가 훨씬 더 복잡하고 자동화를 달성하기 어렵고 관련 비용도 높습니다. 기존 방사형 플럭스 모터와 달리 축 모터 제조 공정과 기계 장비는 최근에야 등장했습니다.
4. 전기자동차의 적용
신뢰성은 자동차 산업에서 매우 중요하며 다양한 제품의 신뢰성과 견고성을 입증합니다.축방향 자속 모터이러한 모터가 대량 생산에 적합하다는 점을 제조업체에 납득시키는 것은 항상 어려운 일이었습니다. 이로 인해 축형 모터 공급업체는 자체적으로 광범위한 검증 프로그램을 수행하게 되었으며, 각 공급업체는 모터 신뢰성이 기존 방사형 플럭스 모터와 다르지 않음을 입증했습니다.
마모될 수 있는 유일한 구성 요소축방향 자속 모터베어링이다. 축 방향 자속의 길이는 상대적으로 짧고 베어링의 위치는 더 가깝습니다. 일반적으로 약간 "과대 치수"로 설계됩니다. 다행스럽게도 축방향 자속 모터는 회전자 질량이 더 작고 더 낮은 회전자 동적 샤프트 부하를 견딜 수 있습니다. 따라서 베어링에 가해지는 실제 힘은 방사형 자속 모터의 힘보다 훨씬 작습니다.
전자 액슬은 축 모터의 최초 응용 분야 중 하나입니다. 폭이 얇을수록 모터와 기어박스를 축에 넣을 수 있습니다. 하이브리드 애플리케이션에서는 모터의 축 길이가 짧을수록 변속기 시스템의 전체 길이가 단축됩니다.
다음 단계는 바퀴에 축 모터를 설치하는 것입니다. 이런 방식으로 모터에서 바퀴로 동력을 직접 전달할 수 있어 모터의 효율이 향상된다. 변속기, 차동 장치 및 구동축이 제거되어 시스템의 복잡성도 감소되었습니다.
그러나 표준 구성은 아직 나타나지 않은 것 같습니다. 축 모터의 다양한 크기와 모양이 전기 자동차의 설계를 변경할 수 있으므로 각 OEM은 특정 구성을 연구하고 있습니다. 방사형 모터에 비해 축형 모터는 출력 밀도가 더 높기 때문에 더 작은 축형 모터를 사용할 수 있습니다. 이는 배터리 팩 배치와 같은 차량 플랫폼에 대한 새로운 설계 옵션을 제공합니다.
4.1 분할된 전기자
YASA(Yokeless and Segmented Armature) 모터 토폴로지는 듀얼 로터 단일 고정자 토폴로지의 한 예로서 제조 복잡성을 줄이고 자동화된 대량 생산에 적합합니다. 이 모터는 2000~9000rpm의 속도에서 최대 10kW/kg의 출력 밀도를 갖습니다.
전용 컨트롤러를 사용하면 모터에 200kVA의 전류를 공급할 수 있습니다. 컨트롤러의 용량은 약 5리터이고 무게는 5.8kg입니다. 유전체 오일 냉각을 통한 열 관리 기능이 포함되어 있으며 축방향 자속 모터는 물론 유도 및 방사상 자속 모터에 적합합니다.
이를 통해 전기 자동차 OEM과 1차 개발자는 애플리케이션과 사용 가능한 공간에 따라 적절한 모터를 유연하게 선택할 수 있습니다. 크기와 무게가 작아지면 차량은 더 가벼워지고, 배터리는 더 많아져서 주행거리가 늘어납니다.
5. 전기 오토바이의 응용
전기 오토바이 및 ATV의 경우 일부 회사에서는 AC 축 자속 모터를 개발했습니다. 이러한 유형의 차량에 일반적으로 사용되는 설계는 DC 브러시 기반 축 자속 설계인 반면, 신제품은 AC, 완전 밀봉된 브러시리스 설계입니다.
DC 모터와 AC 모터의 코일은 고정되어 있지만 듀얼 로터는 회전하는 전기자 대신 영구 자석을 사용합니다. 이 방법의 장점은 기계적 반전이 필요하지 않다는 것입니다.
AC 축 설계에서는 방사형 모터용 표준 3상 AC 모터 컨트롤러를 사용할 수도 있습니다. 이는 컨트롤러가 속도가 아닌 토크 전류를 제어하므로 비용 절감에 도움이 됩니다. 컨트롤러에는 해당 장치의 주류 주파수인 12kHz 이상의 주파수가 필요합니다.
더 높은 주파수는 20μH의 더 낮은 권선 인덕턴스에서 비롯됩니다. 주파수는 전류를 제어하여 전류 리플을 최소화하고 최대한 부드러운 정현파 신호를 보장할 수 있습니다. 동적 관점에서 볼 때 이는 빠른 토크 변화를 허용하여 보다 부드러운 모터 제어를 달성할 수 있는 좋은 방법입니다.
이 설계는 분산 이중층 권선을 채택하여 자속이 고정자를 통해 회전자에서 다른 회전자로 흐르므로 경로가 매우 짧고 효율이 높습니다.
이 설계의 핵심은 최대 60V 전압에서 작동할 수 있으며 더 높은 전압 시스템에는 적합하지 않다는 것입니다. 따라서 전기오토바이와 르노트위지 등 L7e급 4륜차에 사용이 가능하다.
최대 전압이 60V이므로 모터를 주류 48V 전기 시스템에 통합할 수 있으며 유지 관리 작업이 단순화됩니다.
유럽 프레임워크 규정 2002/24/EC의 L7e 4륜 오토바이 사양에서는 물품 운송에 사용되는 차량의 무게가 배터리 무게를 제외하고 600kg을 초과하지 않도록 규정하고 있습니다. 이 차량은 승객 200kg 이하, 화물 1000kg 이하, 엔진 출력 15kW 이하를 운반할 수 있습니다. 분산 권선 방식은 75~100Nm의 토크, 20~25kW의 피크 출력, 15kW의 연속 전력을 제공할 수 있습니다.
축 자속의 문제는 구리 권선이 열을 소산하는 방법에 있는데, 이는 열이 회전자를 통과해야 하기 때문에 어렵습니다. 분산 권선은 많은 수의 폴 슬롯을 갖고 있기 때문에 이 문제를 해결하는 열쇠입니다. 이러한 방식으로 구리와 쉘 사이의 표면적이 더 넓어지고 표준 액체 냉각 시스템을 통해 열이 외부로 전달되어 방출될 수 있습니다.
다중 자극은 정현파 형태를 활용하는 데 핵심이며 고조파를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 고조파는 자석과 코어의 가열로 나타나는 반면, 구리 구성 요소는 열을 운반할 수 없습니다. 자석과 철심에 열이 축적되면 효율이 떨어지므로 파형과 열 경로를 최적화하는 것이 모터 성능에 매우 중요합니다.
비용 절감과 자동화된 대량 생산이 가능하도록 모터 설계를 최적화했습니다. 압출 하우징 링은 복잡한 기계 가공이 필요하지 않으며 재료비를 절감할 수 있습니다. 코일을 직접 감을 수 있으며, 올바른 조립 형태를 유지하기 위해 권선 공정 중에 본딩 공정을 사용합니다.
중요한 점은 코일이 시중에서 판매되는 표준 와이어로 만들어지는 반면, 철심은 표준 선반 변압기 강철로 적층되어 있어 모양대로 절단하기만 하면 된다는 것입니다. 다른 모터 설계에서는 코어 적층에 연자성 재료를 사용해야 하는데, 이는 더 비쌀 수 있습니다.
분산 권선을 사용한다는 것은 자성 강철을 분할할 필요가 없다는 것을 의미합니다. 모양이 더 간단하고 제조가 더 쉬울 수 있습니다. 자성강의 크기를 줄이고 제조 용이성을 보장하는 것은 비용 절감에 큰 영향을 미칩니다.
이 축방향 플럭스 모터의 설계는 고객 요구 사항에 따라 맞춤화할 수도 있습니다. 고객은 기본 디자인을 중심으로 개발된 맞춤형 버전을 보유하고 있습니다. 그런 다음 초기 생산 검증을 위해 시험 생산 라인에서 제조되며, 이는 다른 공장에서 복제될 수 있습니다.
커스터마이징이 이루어지는 이유는 차량의 성능이 축자속모터의 설계뿐만 아니라 차량 구조, 배터리팩, BMS의 품질에 따라 좌우되기 때문입니다.
게시 시간: 2023년 9월 28일
