방사형 플럭스 AC 모터는 일부 성능 및 패키징 이점을 제공하지만 열 및 제조 가능성 문제도 발생합니다.
FAQ의 이 부분에서는 AFM 및 RFM에 대한 탐색이 계속됩니다. 첫 번째 부분에서는 축방향 자속 모터(AFM)를 더 자세히 조사하고 이를 매우 널리 사용되는 방사형 자속 모터(RFM)와 비교했습니다. 이 FAQ의 마지막 부분에서는 AFM 채택과 관련된 몇 가지 실제 문제를 살펴봅니다.
Q: RFM의 운영에 대해 간략하게 설명해주실 수 있나요?
A: 기존 방사형 플럭스 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 고정자 내부에 위치한 영구 자석으로 만들어진 회전자로 구성됩니다. 구리 권선은 슬롯 주위에 감겨 있습니다. 결과적인 플럭스는 회전축에 수직으로 생성됩니다. 이 경우:
- 고정자에는 전자기 코일이 포함된 "톱니"가 장착된 요크(yoke)라는 지지대가 포함되어 있습니다.
- 치아는 교번 자극으로 기능합니다.
- 회전자의 자극은 권선된 고정자 톱니의 교번 자속과 상호 작용하여 모터의 토크를 발생시킵니다.
Q: AFM에 대한 동일한 고려 사항은 어떻습니까?
A: 코일이 감겨지는 방식으로 인해 자속은 회전축과 평행하게 생성됩니다. 이는 원칙적으로 모터 제작을 단순화하는 이점이 있습니다(실제로는 그렇지 않음). 멍에가 필요하지 않습니다. 그러나 이러한 "단순화"는 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 이점보다 더 큰 새로운 생산 문제를 야기합니다.
Q: 축방향 플럭스가 새로운 발전에 접근하고 있나요?
A: 예, 아니오. 1821년 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 발명한 세계 최초의 모터는 축류형 모터였습니다. 그러나 그 이후의 개발과 사용은 그 시대의 재료, 이해 및 다양한 현실로 인해 제한되었습니다.
우리가 RFM으로 알고 있는 것은 1830년대 버몬트 출신의 대장장이 Thomas Davenport가 고안한 것으로, 결국 특허를 받을 수 있었습니다. 이 모터는 단순 DC 모터로 알려져 있습니다(교류는 당시 아직 "발견"되지 않았습니다. 전기는 조잡한 배터리에서 나왔습니다). 아이러니한 점은 Davenport가 현재 매우 널리 사용되는 모터 토폴로지의 상업적 성공을 끈질기게 추구한 결과 재정적 파탄으로 사망했다는 것입니다.
Q: AFM이 지금 이렇게 많은 주목을 받는 이유는 무엇입니까?
A: 실용적인 AFM은 지난 40~50년 동안 성능, 비용 및 제조 관점에서 실행 가능해졌습니다. 이는 전자 기계, 자기, 기계 및 열 분석을 위한 재료 및 생산뿐만 아니라 CAD(컴퓨터 지원 설계) 및 FEA(유한 요소 분석)의 발전 덕분입니다. CAD 기반 설계는 다양한 관련 변수에 걸쳐 성능 최적화를 지원합니다. 또한 성능이나 실용성을 제한하는 요인이 되는 모터의 손실과 온도 상승을 평가하는 데에도 도움이 됩니다.
Q: AFM 구성의 세부 사항은 무엇입니까?
A: 세 가지 주요 측면이 있습니다.
- 디스크 모양의 고정자 및 회전자: 축방향 자속 모터는 평평한 원형 디스크로 설계된 고정자와 회전자를 모두 갖추고 있습니다. 이 설계를 통해 모터는 콤팩트하고 공간 효율적이므로 설치 공간이 제한된 응용 분야에 특히 적합합니다.
- 방사형 자석: 축형 자속 모터의 고정자와 회전자는 방사형으로 배열된 자석을 통합하여 자기장 간의 효율적이고 직접적인 상호 작용을 가능하게 합니다. 이 방사형 자석 배열은 모터의 토크 생성을 향상시켜 다양한 산업 및 자동차 응용 분야에 적합합니다.
- 권선 코일: 구리 와이어 코일은 축 자속 모터의 고정자에 감겨 있습니다. 이러한 권선 코일은 모터 회전을 구동하는 전자기력을 생성하는 데 중요합니다. 이러한 코일의 정확한 배열과 제어는 모터 성능에 필수적입니다.
Q: 기본 AFM 설계에 변형이 있습니까?
A: 물론, "가계도" 그림에서 볼 수 있듯이 모터의 어떤 것도 단순하지 않습니다. 축 자속 설계에는 두 가지 기본 접근 방식이 있습니다.
1) 기울어진 팬 모양과 슬롯형 모터를 갖춘 AFM 자석: 여기서 영구 자석과 고정자 톱니 사이의 상호 작용으로 인해 "코깅" 토크를 피할 수 없어 토크 리플, 진동 및 소음이 발생합니다(그림 1 왼쪽). (“코깅”은 기존 브러시리스 모터의 샤프트가 회전할 때 발생하는 간헐적인 갑작스러운 움직임으로, 자기장의 불균일로 인해 발생합니다.)
2) 적층형 AFM 자석: AFM에는 와전류 손실 문제도 있어 자체 발열이 증가하며(이러한 와전류 손실을 활용하는 플랫탑 인덕션 스토브를 생각해 보세요!) 효율성도 높아집니다. 고온 감자의 영향을 받습니다. 이를 극복하기 위해 AFM 와전류 손실을 줄이기 위해 "자석 분할"이 사용됩니다(그림 1 오른쪽).
Q: RFM과 비교하여 AFM의 상대적인 속성은 무엇입니까?
A: 이것은 대답하기 쉬운 질문이 아닙니다. AFM 지지자들은 장점을 "보완"하고 약점을 경시하는 경향이 있습니다. 동시에 RFM은 제조 공정과 현장 성능 모두에서 오랜 역사를 갖고 있으며 이는 대부분의 모터 응용 분야에서 상당한 이점을 제공합니다. 마지막으로, 상대적 속성에는 설계 및 구성의 세부 사항은 물론 애플리케이션 세부 사항에 따라 많은 예외가 있습니다.
Q: 일반적인 특징이 있을 텐데요.
A: 그렇습니다. RFM과 비교하여 AFM이 제공하는 기능을 자세히 설명하는 몇 가지 일반화가 있습니다.
- 컴팩트한 구조, 특히 축 크기가 짧습니다.
- 작은 볼륨.
- 낮은 체중.
- 높은 토크 밀도(이것은 토크와 동일하지 않습니다!)
- 높은 전력 밀도.
- 작은 엔드 와인딩.
- 매우 효율적이므로 냉각 요구 사항이 줄어듭니다.
Q: AFM의 이점은 분명한 것 같은데, 그렇습니까?
A: 설마. 냉각 필요성을 줄일 수 있지만 방사형 플럭스 모터보다 열을 배출하는 표면적이 적습니다.
Q: RFM 대신 AFM을 사용하는 것과 관련된 몇 가지 문제는 무엇입니까?
A: 전자기적 관점에서 볼 때, AFM 토폴로지는 토크 밀도가 높을수록 더 효과적이라는 것이 학계와 벤치탑에서 오랫동안 알려져 왔으며, 이는 주요 장점입니다. 그럼에도 불구하고 토크 밀도가 중요한 애플리케이션인 철도 차량 및 EV의 거의 모든 트랙션 모터는 여전히 RFM을 사용합니다.
Q: 구체적인 내용을 알려주실 수 있나요?
A: 축방향 자속 모터를 구축할 때의 과제는 설계 단계부터 대규모 제조에 이르기까지 다양합니다.
CAD 도구와 설계 소프트웨어를 고려해보세요. 그만큼 전자기 디자인 방사형 자속 기계의 자속은 주로 2차원(3D) 계산으로 수행할 수 있는 반면, 축 자속 기계의 자속은 XNUMX차원으로 흐르므로 XNUMXD 시뮬레이션 소프트웨어가 필요합니다. 이 수준의 도구는 최근에야 제공되었으며 강력한 하드웨어가 필요합니다. 매우 효과적인 RFM은 CAD가 존재하기 전에 설계 및 사용되었습니다.
Q: 하지만 일단 설계가 완료되면 AFM을 사용하는 데 장애가 되는 것은 무엇입니까?
A: 단일 고정자 - 실용적인 듀얼 로터 토폴로지에서 멍에 없는 AFM, 나중에 자세히 설명)에는 두 개의 에어 갭이 있습니다. 하나는 첫 번째 로터 디스크와 고정자 사이에 있고 다른 하나는 두 번째 로터 디스크와 고정자 사이에 있습니다. 음향 소음, 진동 및 거친 작동(거친 작동)을 최소화하려면 회전자와 고정자 사이에 균일한 에어 갭이 필수적입니다. RFM에는 에어 갭이 하나만 있기 때문에 제조 단계는 물론 현장 배포 및 사용 단계에서도 AFM에 비해 균일성을 설정하고 유지하기가 더 쉽습니다.
질문: 더 있나요?
A: 전적으로. 두 가지 모터 유형의 열 성능에 대한 관점을 상기해 보십시오. 세부 사항은 미묘합니다. RFM의 경우 고정자는 일반적으로 외부에서 간접적으로 냉각됩니다. 극단적인 경우 이는 하우징의 워터 재킷을 통해 수행됩니다. 최신 RFM은 직접 오일 냉각을 통해 냉각되는데, 이는 생성된 열을 직접 제거하기 때문에 간접 냉각보다 더 효과적입니다.
AFM의 경우 냉각 열 흐름 경로가 더 복잡하므로 제거할 열의 양이 적더라도 모터에서 열을 내보내는 것이 더 어렵습니다. AFM의 권선은 고정자 내부 깊숙한 곳에 위치하며 두 로터 디스크 사이에 위치하므로 열을 발산하기 어렵습니다.
Q: 생산 문제는 어떻습니까?
A: RFM의 제조는 매우 성숙한 프로세스이며 고도로 자동화되어 있습니다. 재료 조달 및 준비, 펀칭 부품, 용접, 코일 권선 및 최종 테스트와 같은 많은 단계가 특성화되고 최적화됩니다. 대조적으로, AFM의 실질적인 대량 생산은 현재로서는 더 어렵고 표준화도 덜되어 있습니다.
이 FAQ의 마지막 부분에서는 AFM 채택과 관련된 몇 가지 실제 문제를 살펴봅니다.
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외부 참조
아이오와 주립대학교, “운동 특성”
YASA, “축방향 플럭스: 고성능 전기자동차 추진의 미래”
E-모빌리티 엔지니어링, “축방향 자속 모터”
Stanford Magnets, "축 자속 모터 및 축 자속 모터 자석 개요"
자석 아카데미, 국립 자기 연구소, “Davenport Motor – 1834”
Eaton, “기계 설계에 토크 밀도가 중요한 이유”
수평선 Technology, “전기 모터 설계: 방사형 대 축방향 및 횡방향 자속”
3축 BV, "축방향 자속 모터와 방사형 자속 모터: 자기장 방향에 초점"
삼축 BV, “왜 모든 전기 자동차 모터는 (아직) 축 방향 자속이 아닌가?”
Magnetic Innovations, “방사상 자속 영구 자석 모터란 무엇입니까?”
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