최근 몇 년 동안, 축방향 자속 모터 는 전기 구동 커뮤니티에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 이는 특히 인휠 모터, 드론, 전기 스포츠카, 하이브리드 시스템 등 부피와 무게가 중요한 응용 분야에서 차세대 고성능 모터의 대표적인 방향 중 하나로 간주됩니다. 축방향 자속 구조는 이러한 시나리오에서 고유한 이점을 제공합니다.
그러나 고속 전기 구동 시스템에 축방향 자속 모터를 실제로 적용하려면 한 가지 기술적 과제를 피할 수 없습니다. 고속 약계자 기능이 충분합니까? 그리고 어떻게 평가해야 할까요?
I. 첫째, 이해하세요. '약계장'은 고속에서 항상 필요한 이유는 무엇입니까?
영구자석 동기 모터(PMSM)의 기본 특성은 역기전력이 속도에 따라 증가한다는 것입니다.
역기전력은 모터가 회전할 때 모터 자체에 의해 '생성되는' 전압으로 간단히 이해될 수 있습니다. 속도가 특정 지점까지 상승하면 역기전력은 컨트롤러가 공급할 수 있는 최대 전압, 즉 DC 버스 전압에 접근하거나 심지어 이를 초과합니다. 그 시점에서 모터는 더 이상 전류를 주입하거나 속도를 높일 수 없습니다. '전압 벽'에 의해 효과적으로 차단됩니다.
그렇다면 무엇을 할 수 있습니까?
방법은 모터의 자속 쇄교를 적극적으로 줄이는 것입니다. 즉, 자기장을 '약하게' 만들어 역기전력 을 낮추고 더 빠른 속도를 위해 전압 헤드룸을 확보하는 것입니다. 이것이 우리가 일반적으로 '약계자 제어'라고 부르는 것입니다.
비유: 표준 자전거는 출발을 위해 큰 기어비와 높은 토크가 필요합니다. 고속에서 큰 비율을 유지하면 다리가 케이던스를 따라갈 수 없습니다. 약계자 제어는 고속에서 더 작은 기어비로 변속하는 것과 같으며, 다리 속도를 동일하게 유지하면서 차량 속도를 계속 증가시킬 수 있습니다.
II. 약화 계자에서 축 자속 모터의 특성
축방향 자속 모터는 단일 고정 설계가 아니라 광범위한 토폴로지 범주입니다. 이들의 공통적인 특징은 공극 자속이 기존 방사형 자속 모터처럼 방사형이 아닌 축 방향으로 흐른다는 것입니다.
이 구조는 높은 토크 밀도, 플랫 폼 팩터, 짧은 축 길이와 같은 장점을 제공할 뿐만 아니라 약계자 기능과 관련된 몇 가지 특성도 도입합니다.
가장 영향력 있는 요소 중 하나는 많은 축방향 자속 모터가 상대적으로 낮은 인덕턴스를 갖는다는 것입니다.
모터의 약계자 성능은 Ld 의 비율과 밀접한 관련이 있습니다 쇄교자속 Ψm 에 대한 직접축 인덕턴스 . 간단히 말해서, 직접 축 인덕턴스가 크고 쇄교자속이 작을수록 이론상으로는 계자 약화가 더 쉬워지고 고속 확장 기능이 더 강해집니다.
높은 토크 밀도를 추구하는 많은 축방향 자속 모터는 짧은 자기 경로와 짧은 끝 권선을 가지므로 자연스럽게 인덕턴스가 낮습니다. 결과적으로, 자속 쇄교를 취소하려면 더 큰 약화 계자 전류가 필요하며, 이로 인해 고속에서 구리 손실이 크게 증가하고 효율이 떨어지며 심지어 약계자 기능이 불충분할 수도 있습니다.
그러나 참고: 모든 축방향 자속 모터가 약한 계자 약화 성능을 갖는 것은 아닙니다. 특정 디자인에 따라 다릅니다. 예를 들어, 다층 자석 사용, 극쌍 수 증가, 권선 구성 최적화 또는 자기 저항 토크 기여 증가는 모두 약계자 성능을 향상시킬 수 있습니다.
따라서 평가할 때 단순히 '축방향 자속 모터는 항상 약계자 약화'를 갖는다고 말할 수는 없습니다. 각 특정 설계에 대해 사례별로 평가해야 합니다.
III. 약계자 능력을 평가하는 주요 지표는 무엇입니까?
엔지니어링 실무에서 축방향 자속 모터의 고속 계자 약화 기능을 평가하는 데는 일반적으로 다음과 같은 핵심 매개변수 및 곡선이 포함됩니다.
1. 특성전류
특성 전류는 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 Ψm 은 영구자석 쇄교이고 Ld 는 직접축 인덕턴스입니다.
특성 전류가 컨트롤러의 최대 출력 전류보다 작으면 모터는 이론적으로 '무한 계자 약화' 영역에 들어갈 수 있어 매우 빠른 속도 확장이 가능합니다. 특성 전류가 최대 전류보다 크다면, 계자 약화를 위해 모든 전류를 사용해도 자속 쇄교를 취소하기에 불충분하여 고속 확장 성능이 제한된다는 의미입니다.
특성 전류는 약계자 가능성을 평가하는 가장 직관적인 지표입니다.
2. 전압 제한 원과 전류 제한 원
현재 벡터 평면에서 모터 작동은 두 개의 원으로 제한됩니다.
전류 제한 원 : 컨트롤러의 최대 출력 전류에 의해 결정됩니다.
전압 제한 서클 : DC 버스 전압과 현재 속도에 의해 결정됩니다.
속도가 증가하면 전압 제한 원이 줄어듭니다. 모터의 작동점은 이 두 원의 교차점 내에 있어야 합니다.
강력한 약계자 기능을 갖춘 모터는 고속에서도 유용한 토크를 전달하기에 충분한 교차 영역을 갖습니다. 약계자 기능이 약한 모터는 전압 제한 원이 너무 빨리 줄어들어 작동 지점이 매우 작은 영역으로 압축되고 출력 성능이 급격히 떨어집니다.
3. 정전력 영역 폭
엔지니어링에서는 '정전력 영역'이 고속 확장 기능을 평가하는 데 자주 사용됩니다. 더 넓은 정전력 영역은 모터가 절벽과 같은 토크 저하를 경험하지 않고 고속에서 상대적으로 높은 출력을 유지할 수 있음을 나타냅니다.
축 자속 모터가 약화 계자에 맞게 제대로 설계되지 않은 경우 정전력 영역이 눈에 띄게 좁아지고 고속 끝단의 전력이 빠르게 떨어집니다.
4. 정격속도에 대한 최고속도의 비율
이 비율은 '약계자 속도 확장 비율'이라고도 합니다. 일반적인 승용차 구동 모터의 경우 3~4배 이상의 확장 비율이 필요합니다(예: 정격 4000rpm, 최대 15000~18000rpm). 축방향 자속 모터가 이 수준을 달성할 수 있는지 여부는 인덕턴스, 자속 쇄교, 극 쌍 수 및 컨트롤러 전압 성능의 종합적인 평가에 따라 달라집니다.
5. 고속 효율 및 온도 상승
약계자 약화는 '회전할 수 있는지 여부'뿐만 아니라 '회전할 때 얼마나 효율적인지'에 관한 것입니다. 약화 계자 전류가 지나치게 크면 구리 손실이 급격하게 증가하여 고속에서 심각한 온도 상승으로 이어져 영구 자석의 돌이킬 수 없는 자기소거를 초래할 수도 있습니다.
따라서 약계자 성능을 평가할 때는 속도 수치뿐만 아니라 고속 효율 MAP 및 열 성능도 검토하는 것이 필수적입니다.
IV. 실제로 평가하는 방법은 무엇입니까? 세 가지 접근 방식
접근법 1: 전자기 시뮬레이션
설계 단계에서 엔지니어는 일반적으로 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 축 자속 모터의 전자기 모델을 구축합니다.
다양한 속도와 전류 벡터를 스위핑하면 다음을 얻을 수 있습니다.
역기전력 파형;
직접축 및 직교축 인덕턴스 Ld , Lq;
자속 결합 Ψm;
특성 전류 Ich;
전압 제한 타원과 전류 제한 원의 교차점
이론적 최대 토크-속도 곡선;
효율성 지도.
이러한 데이터는 모터의 계자 약화 가능성을 포괄적으로 반영할 수 있습니다. 그러나 정확한 시뮬레이션 결과를 얻으려면 모델이 축 자속 끝 누설 자속, 3D 자기 회로 경로 및 포화 특성을 충실하게 표현해야 합니다. 결과적으로 축방향 자속 모터의 시뮬레이션은 기존 방사형 모터에 비해 3D 유한 요소 분석에 더 많이 의존합니다.
접근법 2: 벤치 테스트
시뮬레이션은 단지 이론적일 뿐입니다. 궁극적으로 벤치 측정이 필요합니다.
벤치 테스트에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.
역기전력 계수 측정;
다양한 온도에서의 인덕턴스 측정
피크 토크-속도 외부 특성 곡선;
연속 정격 전력 출력 기능;
최대 속도에서의 지속 작동 시간;
고속 약계 영역의 효율 및 온도 상승;
자석 탈자 후 성능 저하 테스트.
가장 중요한 것은 고속 약계자 영역의 온도 상승 과 연속 작동 기능 입니다 . . 많은 축방향 자속 프로토타입은 단기 피크 테스트에서 매우 높은 속도에 도달할 수 있지만, 몇 분 동안 연속 작동한 후 과열되고 감소하면 진정한 자격을 갖춘 약계자 기능을 갖춘 것으로 간주할 수 없습니다.
접근법 3: 제어 전략 매칭 평가
약화 계자 기능은 모터 자체뿐만 아니라 컨트롤러 및 제어 알고리즘에 따라 달라집니다.
일반적인 제어 전략은 다음과 같습니다.
MTPA(암페어당 최대 토크);
약화계자 제어;
MTPV(전압당 최대 토크);
심층 약화 시 전압 피드포워드 및 전류 디커플링.
평가에서는 제어 전략이 축 자속 모터의 전압 및 전류 제한을 완전히 활용할 수 있는지 여부를 조사해야 합니다. 모터 본체의 약계자 잠재력이 양호하지만 제어 알고리즘이 부적절할 경우 고속에서 지터, 제어 상실 또는 지나치게 낮은 효율과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.
V. 축방향 자속 모터의 고속 계자 약화 기능을 향상시킬 수 있는 설계 개선 사항은 무엇입니까?
평가 결과 약계자 기능이 부족한 것으로 밝혀지면 일반적인 개선 방향은 다음과 같습니다.
1. 직접축 인덕턴스 최적화
직접축 인덕턴스를 적절하게 높이면 특성 전류를 낮추고 약계자 기능을 향상시킬 수 있습니다. 이는 극 쌍 수 증가, 슬롯 형상 조정, 권선 레이아웃 최적화, 자기 브리지 폭 증가 등을 통해 달성할 수 있습니다.
그러나 직접축 인덕턴스를 높이면 토크 밀도와 충돌하는 경우가 많으므로 다목적 최적화가 필요합니다.
2. 플럭스 쇄교를 적당히 줄입니다.
잔류자율은 약간 낮지만 온도 허용 오차는 더 높은 자석을 사용하거나 자석 두께를 줄이면 역기전력과 특성 전류를 낮출 수 있습니다. 절충안은 저속 토크의 감소이며, 이는 전체 시스템 요구 사항과 비교하여 평가되어야 합니다.
3. 릴럭턴스 토크 기여도 증가
돌출비(직교 및 직접 축 인덕턴스 간의 차이)를 증가시키면 릴럭턴스 토크가 출력에서 더 큰 비중을 차지할 수 있어 영구 자석 자속 쇄교에 대한 의존도가 줄어듭니다. 이러한 방식으로 고속 약계자에서 쇄교 자속은 전압 헤드룸을 덜 차지하므로 속도 확장이 더 쉬워집니다.
4. 하이브리드 여기 또는 가변 플럭스 채택
이는 보다 발전된 접근 방식입니다. 축 방향 자속 구조에 계자 권선 또는 가변 자속 자석을 통합하면 고속에서 공극 자속을 능동적으로 감소시켜 '수동 자기장 약화'를 '활성 자기장 약화'로 변환할 수 있습니다.
이 설계는 고속 효율과 정전력 영역 폭을 크게 향상시킬 수 있지만 구조적 복잡성과 비용이 증가합니다.
5. DC 버스 전압 활용도 향상
모터 자체에 적당한 약계자 기능이 있는 경우 컨트롤러 전압 레벨을 높이고, SiC 인버터를 사용하고, 변조 전략을 최적화하는 등의 방식으로 '전압 벽'을 밀어서 동일한 버스 전압에서 더 효과적인 전압을 제공하는 것도 가능합니다.
이는 필드 약화를 위한 더 많은 여유 공간을 남깁니다.
6. 일반적인 오해
축방향 자속 모터의 고속 계자 약화 기능을 평가할 때 몇 가지 오해에 주목할 필요가 있습니다.
오해 1: 최대 속도만 본다.
최대 속도가 높다고 해서 반드시 강력한 자기장 약화 기능을 의미하는 것은 아닙니다. 이는 유용한 전력 출력이 지속되지 않는 단기적인 속도 버스트일 수 있습니다.
오해 2: 축방향 자속 모터는 항상 약한 계자 약화를 갖는다고 믿습니다.
앞서 언급한 바와 같이 축방향 자속은 위상학적 개념이며 특정 계자 약화 성능은 매우 다양합니다. 일부 고성능 축 자속 모터는 약계자 기능에서 동급 방사형 자속 모터보다 성능이 더 뛰어날 수도 있습니다.
오해 3: 온도 영향을 무시합니다.
영구자석 자속쇄교와 권선 저항은 모두 온도에 따라 달라집니다. 고온에서는 자속 쇄교가 감소하여 약계자 전류 요구 사항이 변경됩니다. 평가에는 콜드 상태 데이터뿐만 아니라 핫 상태 매개변수도 사용해야 합니다.
오해 4: 시뮬레이션 최대 속도를 실제 사용 가능한 속도로 간주합니다.
시뮬레이션은 이상적인 전압, 전류 및 온도 조건에서 실행되는 경우가 많습니다. 실제 벤치 테스트에서는 컨트롤러 비선형성 및 열 보호로 인해 실제 약계 영역이 제한됩니다.
Ⅶ. 결론
축방향 자속 모터의 고속 계자 약화 기능은 본질적으로 시스템 수준 엔지니어링 문제입니다.
이는 모터 본체의 전자기 설계뿐만 아니라 제어 전략, 인버터 기능 및 열 관리에 따라 달라집니다. 평가는 하나 또는 두 개의 매개변수에만 의존해서는 안 됩니다. 대신, 특성 전류, 전압/전류 제한 범위, 정전력 영역 폭, 고속 효율, 온도 상승, 연속 작동 능력을 바탕으로 종합적인 판단이 필요합니다.
축방향 자속 모터를 고속 전기 구동 응용 분야에 적용하려는 엔지니어의 경우, 약계자 기능은 '존재 여부'가 아니라 '모터가 지속 가능하고 효율적으로 속도를 확장할 수 있는지 여부'의 문제입니다.
미래에는 새로운 재료, 새로운 토폴로지 및 다중 물리 최적화 기술의 발전으로 고속 약계자 영역에서 축 자속 모터의 성능이 지속적으로 향상될 것입니다. 그리고 약계자 능력을 정확하고 체계적으로 평가하는 것은 전기 드라이브 개발에서 점점 더 중요한 연결 고리가 될 것입니다.
