오늘날 빠르게 발전하는 기술 환경 속에서, 고속 모터는 여러 고급 분야에서 핵심 동력원이 되고 있습니다. 새로운 에너지 차량에서 항공우주, 정밀 제조에서 에너지 장비에 이르기까지 이러한 최첨단 애플리케이션 뒤에는 핵심 기술인 고속 모터 고정자 기술이 지원됩니다.
고속 모터라고 하면 높은 회전 속도와 높은 출력을 떠올리는 경우가 많습니다. 실제로 10,000r/min을 초과하는 속도의 모터는 고속 모터로 분류됩니다. 수많은 산업 분야의 핵심이 될 수 있는 것은 전적으로 의 특성 때문입니다. 작은 크기와 높은 전력 밀도 .
고속모터의 '심장'인 고정자의 기술적 우수성은 모터 전체의 성능과 효율, 신뢰성을 직접적으로 결정합니다.
01 고속모터의 과제
고속 모터는 단순히 더 빠르게 작동하는 일반 모터가 아닙니다. 속도가 급상승함에 따라 전례 없는 일련의 과제가 발생합니다.
고주파 손실 은 가장 중요한 과제입니다. 고정자 권선 전류의 주파수와 철심의 자속은 속도가 증가함에 따라 급격히 증가하여 모터 권선, 고정자 코어 및 회전자에 상당한 고주파 추가 손실을 발생시킵니다.
표피 효과와 근접 효과는 일반적으로 낮은 주파수에서는 무시할 수 있지만 높은 주파수에서는 매우 중요해집니다.
열 방출 문제 도 똑같이 어렵습니다. 고속 모터는 동일한 출력의 기존 속도 모터에 비해 크기가 훨씬 작아서 출력 밀도와 손실 밀도가 높아 방열이 어렵습니다.
특별한 냉각 조치를 취하지 않으면 모터 온도가 과도하게 상승하여 권선 수명이 단축될 수 있습니다.
영구 자석 모터의 경우 회전자 온도가 과도하게 상승하면 영구 자석의 되돌릴 수 없는 자기소거가 발생할 수도 있습니다.
의 과제를 제조 공정 과소평가해서는 안 됩니다. 고정자 보어의 원통형 및 동축성을 부적절하게 취급하면 회전자 작동 중에 자기장 힘의 불균형이 발생하여 공극 변화에 따른 진동 가속이 발생할 수 있습니다.
02 고정자 권선 기술
고정자 권선은 모터 효율, 수명, 부피 및 비용을 향상시키는 핵심 요소입니다. 운송 전기화의 과제를 해결하려면 적절한 권선 기술과 적절한 설계를 선택하는 것이 중요합니다.
현재 세 가지 주요 권선 기술이 있습니다. 풀인 권선 , 헤어핀 권선 및 성형 리츠 와이어.
풀인 권선은 슬롯에 삽입된 원형 와이어로 구성되며 각 와이어는 절연되어 있고 여러 와이어가 나란히 배치되어 있습니다. 이러한 유형의 권선에 대한 충전율은 40% ~ 45%에 달할 수 있습니다.
바 권선으로도 알려진 헤어핀 권선은 개별적으로 절연된 견고한 구리 막대로 구성됩니다. 미리 형성된 U자형 막대를 모터 슬롯에 삽입하고 구리 막대의 열린 끝 부분을 구부려 용접으로 연결합니다. HPW의 채우기 비율은 50%를 초과할 수 있습니다.
형성된 리츠 와이어는 막대를 형성하기 위해 꼬이고, 압축되고, 병렬로 연결된 가닥 묶음으로 구성됩니다. 개별적으로 절연된 스트랜드는 모터의 축 방향을 따라 연속적으로 배치됩니다. FLW의 달성 가능한 채우기 비율은 HPW의 채우기 비율과 비슷합니다.
세 가지 권선 유형 중에서 헤어핀 권선(Hairpin Windings)과 성형 리츠 와이어(Formed Litz Wire)는 충진율이 더 높기 때문에 설계가 더 콤팩트하고 전력 밀도가 더 높습니다.
03 혁신적인 고정자 구조
고속 환경의 특별한 과제에 직면하여 연구원들은 다양하고 혁신적인 고정자 구조를 개발했습니다.
고정자 영구 자석 모터는 획기적인 디자인입니다. 이는 회전자 대신 고정자에 영구 자석을 배치하여 기존 차량 견인 모터의 제약을 깨뜨립니다.
이 설계는 많은 장점을 제공합니다. 로터에는 영구 자석 재료나 전기자 권선이 없어 간단하고 견고하며 특히 고속 작동에 적합합니다. 영구 자석과 전기자 권선이 모두 고정자에 위치하여 냉각이 용이합니다. 영구 자석의 자화는 전기자 권선의 연결 방법을 합리적으로 변경하여 달성할 수 있습니다.
무 슬롯 고정자 구조 는 또 다른 혁신적인 솔루션입니다. 고속 영구 자석 모터에서는 교류 자기장 주파수가 매우 높아 고정자 철 손실이 심하고 발열이 심하며 코깅 토크가 토크 리플을 유발합니다.
슬롯리스 고정자 구조를 채택하면 철손을 효과적으로 줄이고 코깅 토크의 영향을 완전히 제거할 수 있습니다.
일부 연구에서는 연자성 페라이트의 높은 투자율, 높은 저항률 및 저비용 특성을 결합하여 이를 고속 영구 자석 브러시리스 DC 모터의 고정자 코어로 사용하는 동시에 슬롯 없는 고정자 구조를 사용합니다.
토로 이달 권선 구조 는 심양 기술대학교가 고속 영구 자석 모터에 대한 연구에서 제안한 새로운 설계입니다.
토로이드 권선에서 코일의 하위 레이어 측면은 고정자 코어의 6개 슬롯에 배치되는 반면, 상위 레이어 측면은 고정자 요크의 외부 가장자리에 있는 24개 슬롯에 분산됩니다. 이는 고정자 표면의 환기 및 열 발산 면적을 증가시킬 뿐만 아니라 냉각 공기 흐름을 통해 고정자 권선을 직접 냉각시킬 수 있습니다.
04 냉각 기술 및 방열 설계
고속 모터의 냉각 시스템은 안정적인 작동의 핵심입니다. 잘 설계된 냉각 시스템은 고정자와 회전자의 온도 상승을 효과적으로 줄일 수 있으며, 이는 고출력 고속 모터의 장기간 안정적인 작동에 매우 중요합니다.
고정자 냉각 기술은 다양합니다. 밀폐형 워터 재킷 구조의 경우 내부 자체 냉각 중에 권선 끝 부분의 온도가 상대적으로 높습니다.
엔지니어들은 물의 흐름 방향을 조정하고 물이 중앙에서 들어오고 양쪽에서 나가는 방식을 채택하면 효과적으로 열 방출을 향상시킬 수 있다는 사실을 실습을 통해 알아냈습니다.
대형 고속 모터의 경우 로터 팬을 추가할 수 있으며 내부 공기 흐름 조직은 고정자를 중앙으로 분할하여 케이싱 외부 중간 부분에서 공기 흡입구 역할을 하고 가스가 양쪽 끝에서 배출되도록 설계할 수 있습니다. 케이싱의 나머지 부분은 물이 중앙에서 들어오고 양쪽에서 나가는 수냉식 구조를 갖추고 있습니다.
권선 끝 부분에 대한 향상된 열 방출 처리 도 고속 모터에 특화된 기술입니다. 기존 모터와 달리 고속 모터는 냉각 조건을 개선하기 위해 기존 슬롯 웨지를 제거하는 등의 방법을 채택합니다.
와인딩 헤드의 열을 방출하기 위해 스프레이 냉각 기술도 적용됩니다. 이러한 직접 냉각 방식은 권선에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하여 고온 환경에서도 안정적인 모터 작동을 보장합니다.
05 향후 개발 동향
지속적인 기술 발전으로 고속 모터 고정자 기술은 더 높은 효율성, 더 큰 신뢰성 및 더 많은 지능을 향해 발전하고 있습니다.
새로운 소재의 적용이 핵심이 될 것입니다. 투자율과 저항률이 높은 연자성 페라이트와 같은 재료를 고성능 절연 재료와 함께 사용하면 고정자의 작업 효율성과 신뢰성이 더욱 향상됩니다.
통합 디자인 은 또 다른 주요 트렌드입니다. 고속 모터의 설계는 전자기장, 회전자 강도, 회전자 동역학, 유체장, 온도장 등 다양한 물리적 장을 포함하는 포괄적이고 반복적인 프로세스입니다.
앞으로는 다중 물리 결합 시뮬레이션 및 최적화를 통해 고정자 기술이 다른 모터 시스템과 더욱 긴밀하게 통합될 것입니다.
제조 공정의 혁신 도 고정자 기술을 발전시킬 것입니다. 3D 프린팅과 정밀 가공 기술의 발전으로 더욱 복잡하고 최적화된 고정자 구조가 가능해지며, 고속 모터의 성능 한계는 더욱 높아질 것입니다.
현재 중국에서는 고속모터 분야의 연구가 지속적으로 심화되고 있다. 절강대학교, 선양 공과대학교, 하얼빈 과학기술대학교 등 여러 대학과 연구 기관이 이 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다.
산업용 장비부터 일상생활까지 고속 모터 고정자 기술의 혁신이 세상을 조용히 변화시키고 있습니다.
미래에는 새로운 재료와 새로운 프로세스의 적용을 통해 고속 모터 고정자 기술이 계속해서 발전하여 인류의 기술 진보에 더욱 강력하고 효율적이며 강력한 추진력을 제공할 것입니다.
