다양한 작동 조건에서 축 자속 모터 로터 선택의 핵심 사항 – 허브 모터, 로봇 조인트, 드론 추진

소개: '실린더'에서 '디스크'로의 패러다임 전환

사람들은 전기 모터에 대해 생각할 때 대부분 고정자가 회전자를 둘러싸고 자기장이 방사형으로 전파되는 긴 실린더를 상상합니다. 그러나 이러한 전통적인 형태를 거부하는 모터는 새로운 기술 혁명을 주도하고 있습니다. 축방향 자속 모터 . 이는 고정자와 회전자를 샌드위치 쿠키만큼 컴팩트한 거의 평평한 디스크로 압축합니다.

이러한 평탄화 혁명의 핵심은 자기 경로 방향의 근본적인 변화에 있습니다. 기존 방사형 자속 모터에서는 자기장이 축에서 바깥쪽으로 방사됩니다. 축방향 자속 모터에서 자기장은 디스크 배열에서 고정자와 회전자가 서로 마주보는 상태에서 축과 평행하게 진행됩니다. 이러한 변화는 놀라운 성능 이점을 제공합니다.  동일한 재료를 사용하면 축방향 자속 모터의 토크는 회전자 직경의 세제곱에 비례하며(기존 방사형 모터의 경우 직경의 제곱에 불과함) 토크 밀도는 2~3배 증가하고 효율은 96%를 초과합니다.  동시에 축 길이는 기존 모터의 1/3~1/2에 불과하며, 동일한 출력에서 ​​부피는 50% 이상 감소하고 무게는 약 40~50% 감소합니다.

축방향 자속 모터에서 이러한 높은 전력 밀도와 토크 밀도를 달성하는 열쇠는 회전자 구조의 독창적인 설계에 있습니다. 다양한 응용 시나리오에는 뚜렷한 성능 요구 사항이 적용되며 회전자 자기 회로 구조, 영구 자석 재료 및 토폴로지의 선택에 따라 모터가 장점을 완전히 실현할 수 있는지 여부가 직접적으로 결정되는 경우가 많습니다. 이 기사는 허브 모터, 로봇 조인트, 드론 추진 등 세 가지 일반적인 응용 시나리오로 시작하여 로터 선택의 핵심 포인트를 체계적으로 분석합니다.

1. 허브 모터: 토크 밀도와 넓은 속도 범위 사이의 균형

허브 모터는 공간이 극도로 제한된 휠 림 내부에 설치됩니다. 이것이 주요 설계 제약 사항입니다. 높은 토크 밀도(시동 및 상승용), 넓은 속도 범위(저속 크롤링에서 고속 순항까지), 우수한 열 방출 성능을 동시에 제공해야 합니다.

로터 구조 선택 측면에서 허브 모터는 일반적으로  표면 장착형과 스포크(내부) 유형을 사용하며 각각 설계 우선순위가 다릅니다. 표면 장착형 영구 자석은 회전자 코어 표면에 직접 부착되어 간단한 구조, 높은 공극 자속 밀도 및 궁극적인 전력 밀도를 추구하는 응용 분야에 적합합니다. 그러나 대구경 로터의 고속 회전은 막대한 원심력을 생성하므로 표면에 장착된 자석을 고정하기 위한 고정 슬리브가 필요합니다. 이를 위해서는 고강도 비자성 소재가 필요하며, 슬리브 자체가 에어 갭을 증가시켜 출력을 감소시킵니다.

스포크형(내부) 영구자석이 로터 내부에 내장되어 있습니다. 자속 집중을 통해 토크 밀도와 자속 약화 속도 확장 능력을 크게 향상시킵니다. 예를 들어 장쑤대학교에서 설계한 STAF-PMSM 스포크형 허브 모터는 이중 로터 구조를 사용하여 에어 갭 여기 영역을 늘려 자속 집중 여기를 달성합니다. 최대 토크 280N·m, 최대 출력 15kW를 발휘해 분산형 인휠 구동 신에너지 차량에 적합하다. 또한 내부 구조는 영구자석이 고온 및 기계적 충격에 직접 노출되지 않도록 효과적으로 보호하여 표면 실장형이 고속에서 직면하는 자석 이탈 위험을 극복합니다.

열 관리는 허브 모터의 또 다른 핵심 과제입니다. 고전력 작동에서는 전자기 손실이 집중되고 냉각 조건이 열악합니다. 효과적인 냉각을 위해서는 손실 분석을 기반으로 한 정확한 열 모델링이 필요합니다. 현재 이중 고정자 단일 회전자 축 자속 모터(AFIR)는 2개의 고정자로 전기 부하를 증가시켜 전력 밀도를 향상시키는 반면, 요크 없는 축 자속 모터(YASA)는 고정자 요크를 제거하여 철 손실을 줄이고 열 부하를 낮추는 동시에 효율과 토크 밀도를 향상시킵니다.

전반적으로 허브 모터용 로터 선택은  토크 밀도, 속도 확장 기능 및 신뢰성의 균형을 맞춰야 합니다 . 저속 고토크 요구사항의 경우 표면 실장형 또는 스포크형 구조가 선호되지만 넓은 속도 범위가 필요한 경우 자속 집중 및 자속 약화 능력으로 인해 스포크형이 더 적합합니다.

2. 로봇 관절: 저관성과 정밀 제어의 이중 요구 사항

로봇 관절은 허브 모터와는 확연히 다른 특성을 요구합니다. 엉덩이, 허리, 다리와 같은 큰 관절에서는 높은 토크 출력과 극도의 경량화가 핵심 요구 사항입니다. 기존 방사형 모터와 비교하여 이러한 시나리오의 축 자속 모터는 공간 점유를 30%~60%, 무게를 30% 이상 줄일 수 있으며 일부 설계에서는 60%~70%에 이릅니다. 손목이나 손가락과 같은 작은 관절에서는 정밀도와 낮은 관성이 더 중요합니다.

토크 대 관성 비율  은 로봇 관절 모터의 핵심 설계 매개변수입니다. 연구에 따르면 축방향 자속 모터의 토크는 로터 직경의 세제곱에 비례합니다. 즉, 평평한 조인트의 콤팩트한 공간에서 매우 높은 저속 토크 출력을 달성할 수 있으며, 얇은 디스크 구조를 조인트에 직접 내장할 수 있어 열 방출이 단순화됩니다.

로터 선택 시 로봇 조인트는 표면 장착 구조 또는 Halbach 어레이를 우선시합니다. 낮은 로터 손실과 낮은 관성 모멘트를 갖춘 표면 장착형 구조는  더 빠른 동적 응답을 가능하게 합니다  . 가속 응답 시간을 15ms에서 5~8ms로 줄일 수 있으며, 이는 빠른 시작/정지 및 정밀한 위치 지정이 필요한 로봇 동작에 매우 중요합니다. 특정 자화 방향 패턴을 통해 Halbach 어레이는 한쪽의 자기장을 강화하는 동시에 다른 쪽의 자기장을 거의 상쇄시켜 로터 코어를 제거하고 로터 관성과 손실을 더욱 줄입니다.

자기 회로 설계 및 영구 자석 재료 선택에도 정밀한 제어가 필요합니다. 축방향 자속 모터는 기존 방사형 자속 모터의 방사형 레이아웃에 비해 자로 길이를 줄이고 토크 밀도를 높이는 환형 자석 레이아웃을 사용합니다. 또한 로봇 관절에는 감속기 또는 QDD(준 직접 구동) 방식이 포함되는 경우가 많기 때문에 더 높은 보자력과 열 안정성이 필요합니다. 비용이 허용되는 경우 디스프로슘 및 테르븀과 같은 무거운 희토류를 포함하는 높은 보자력 등급은 작동 중 역자기장으로 인한 감자를 효과적으로 방지할 수 있습니다.

16~18mm 범위의 소형 조인트의 경우 PCB 유형 축방향 플럭스 모터가 독특한 장점을 보여줍니다. 기존 구리 권선 대신 에칭을 사용하여 높은 제조 일관성, 낮은 철 손실 및 극도의 경량화를 제공합니다.

3. 드론 추진: 전력 밀도 및 열 감자에 대한 저항의 극한 과제

드론 추진 시스템은 근본적인 모순에 직면해 있습니다.  무게가 1g 증가할 때마다 비행 시간이 줄어들고, 온도가 1도 상승할 때마다 전력이 감소합니다 . 데이터에 따르면 추력 대 중량 비율이 25:1을 초과하는 축형 자속 모터의 경우 질량을 1kg 줄이면 주행 거리가 약 10km 증가할 수 있습니다. 따라서 경량화와 높은 출력 밀도는 드론 추진 모터의 주요 설계 기준입니다.

출력 밀도 측면에서 축방향 자속 모터는 드론 추진에 압도적인 이점을 보여줍니다. 이들의 체적 출력 밀도는  14.9kW/kg 에 도달할 수 있습니다. 기존 방사형 모터의 출력 밀도를 훨씬 초과하는 측정된 출력 밀도 범위는  5.8~21kW/kg 이고 토크 밀도는  15~25Nm/kg 입니다 . 최신 'Yufeng' T 시리즈 축방향 자속 추진 시스템은 10Nm/kg의 연속 출력 밀도와 20Nm/kg의 최대 토크 밀도를 달성하여 유인 eVTOL 및 복합 날개 드론과 같은 고급 항공기의 직접 구동 추진에 매우 적합합니다.

전력 밀도 외에도 드론 추진 모터는 고온 환경에서 자기소거의 위험에 직면해 있습니다. 비행 중에 모터는 장기간 높은 전력으로 작동하여 권선과 영구 자석의 온도가 급격히 상승합니다. 여름철 더위나 사막 지역에서 임무를 수행하는 경우 주변 온도와 자체 발열의 조합으로 인해 영구 자석에 심각한 감자 문제가 발생합니다.

영구 자석 재료 선택은 드론 모터의 고온 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.  일반적인 영구 자석 재료 중에서 네오디뮴-철-붕소(NdFeB)가 가장 높은 자기 성능을 제공하지만 표준 등급(N 시리즈)은 최대 작동 온도가 80~100°C에 불과하고 200°C 이상에서는 비가역적인 자기 손실이 발생할 수 있습니다. 고 보자력 NdFeB 등급(SH, UH, EH, AH 시리즈)은 최대 150~240°C까지 작동할 수 있지만 고온 안정성은 여전히 ​​사마륨-코발트(SmCo)보다 열등합니다. SmCo 자석은 퀴리 온도가 720°C를 초과하고 이상에서 안정적으로 작동할 수 있으며  300°C , 자기 특성은 온도에 따라 NdFeB만큼 1/4~1/3만 변합니다. 단점은 자기 에너지 제품이 약간 낮고 비용이 높다는 것입니다. 소비자 드론의 경우 고성능 NdFeB이면 대부분의 요구 사항에 충분합니다. 그러나 고온, 고전력 조건의 산업용 드론 및 유인 eVTOL의 경우 비용에도 불구하고 SmCo는 신뢰성을 위해 필요한 선택입니다.

4. 로터 유형의 간략한 개요: 표면 장착형과 내부 장착형 비교

위의 분석을 바탕으로 축방향 자속 모터의 메인 로터 구조 유형은 다음 표에 요약되어 있습니다.

5. SDM: 표면 장착형 축 자속 모터 로터용 핵심 드라이버

세 가지 주요 시나리오에 대한 주요 로터 선택 지점을 분석한 후  고성능 영구 자석 및 표면 실장 로터 구조에 대한 엔지니어링 기능 이라는 핵심 요소에 도달했습니다 . 이것이 바로 SDM의 기술적 장점이 있는 부분입니다.

SDM은 자석 및 자석 솔루션에 중점을 둔 국가 첨단 기술 기업으로, 전문 자석 생산 분야에서 16년의 경험을 보유하고 있습니다. 회사는 중국 최대의 희토류 채굴 기업인 China Aluminium과 전략적 협력 관계를 맺고 희토류 원료의 안정적이고 안전한 공급을 보장합니다. 동시에 SDM은  중국 과학 아카데미 와 심층적인 공동 연구를 수행  하고 유한 요소 분석(FEA)에 대해 고객과 협력하여 자기 회로 설계 초기부터 정확한 시뮬레이션 지원을 제공함으로써 개발 주기를 단축하고 시행착오 비용을 줄입니다.

표면 장착형 축 자속 모터 로터 분야에서 SDM은 체계적인 제조 및 설계 이점을 제공합니다.

첫째, 높은 수준의 인증을 갖춘 완벽한 생산 시스템입니다.  IATF 16949(자동차 품질경영시스템)을 보유하고 있으며, 2010년부터 General Motors의 Tier 2 공급업체로서 무결점(0 PPM) 기록을 유지하고 있으며, ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, 탄소발자국 및 BSCI 인증도 보유하고 있습니다. 해당 제품은 RoHS, REACH 및 SGS 테스트 요구 사항을 준수합니다. 즉, 영구 자석의 모든 배치는 원자재 추적부터 완제품 배송까지 엄격한 품질 관리를 거칩니다.

둘째, 표면 실장형 로터 구조를 위한 성숙한 통합 공정 기술입니다.  축방향 자속 모터에서 표면 장착형 영구 자석 로터 디스크는  자석의 고강도 고정, 고속 작동 시 안정성, 제조 가능성/조립이라는 세 가지 주요 엔지니어링 문제를 동시에 해결해야 합니다 . SDM은 고 보자력 NdFeB 등급 및 SmCo 시리즈를 포함한 다양한 자성 재료 옵션을 제공합니다. 저손실, 고강도 폴리머 프레스 플레이트/고정 프레임, 로터 백 아이언 및 탄소 섬유 고정 슬리브의 조합을 사용하여 고속 작동에서 안정적인 자석 위치 지정을 보장하는 동시에 로터 와전류 손실을 최소화합니다. 이 솔루션은 낮은 로터 손실, 높은 구조적 강도, 우수한 조립 가공성이라는 포괄적인 장점을 입증했습니다.

셋째, 하이엔드 맞춤화를 지원하는 최고 수준의 기술팀입니다.  들로 구성된 기술팀은  중국과학원 자성재료 전문가 박사 2명, 석사학위 소지자 5명, 수석 엔지니어 8명, 엔지니어링 및 기술 인력 80명 이상으로 구성되어 있습니다. 회사는 시립 R&D 센터와 박사후 연구원 워크스테이션을 설립했습니다. 따라서 SDM은 기존 자석을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 자석 등급 선택(초고 보자력 NdFeB N/M/UH 등급, SmCo5/Sm-Co-₇ 시리즈), 감자 온도 마진 계산 및 유한 요소 시뮬레이션을 포함하여 다양한 작업 조건(허브 모터, 로봇 조인트, 드론 추진)에서 실제 자기 회로 요구 사항에 대한 전체 프로세스 기술 솔루션을 제공할 수 있습니다.

넷째, 산학연 협력과 폭넓은 제품 포트폴리오입니다.  SDM은 Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering(CAS) 및 Southwest Jiaotong University와 협력 관계를 유지하면서 자성 재료의 발전을 지속적으로 추적하고 있습니다. 제품 범위에는 마이크로 모터 고정자 및 회전자, 자기 부상 모터, 센서, 리졸버, 광 절연체, 영구 자석 및 연자성 부품이 포함되며 다양한 산업 분야의 모터 설계를 위한 원스톱 자성 재료 지원을 제공합니다.

결론

편평한 구조와 변환 가능한 전력 밀도를 통해 축 자속 모터는 전기 자동차, 휴머노이드 로봇 및 저고도 항공기의 전력 아키텍처를 재정의하고 있습니다. '토크 밀도'와 '경량화'를 중심으로 한 이 기술 경쟁에서는 로터 구조 설계와 영구 자석 재료의 품질이 하한을 설정하는 반면 표면 실장 구조는  단순한 디자인, 빠른 동적 응답 및 높은 토크 밀도를 통해  로봇 관절, 저속 고토크 허브 드라이브 및 고효율 및 저관성을 요구하는 기타 응용 분야에서 대체할 수 없는 위치를 차지합니다.

자기 회로 토폴로지의 정확한 최적화부터 영구 자석 재료의 고온 안정성 설계에 이르기까지 핵심 재료 기술 및 로터 제조 프로세스의 전체 체인을 마스터해야만 치열한 시장 경쟁에서 진정한 해자를 구축할 수 있습니다. SDM은 국가 첨단 기술 기업으로서의 자격, 영구 자석 분야에서 16년간 축적된 경험, CAS 구축 전문가 팀의 기술 지원, 체계적인 품질 관리 시스템을 바탕으로 표면 장착형 축 자속 모터 로터의 높은 신뢰성과 고성능을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 허브 모터의 넓은 속도 범위 문제, 로봇 관절의 저관성 정밀 제어 요구 사항, 드론 추진의 전력 밀도 및 자기소거 저항에 대한 극한 요구 사항 등 SDM은 재료부터 시뮬레이션까지 전체 프로세스 엔지니어링 솔루션을 제공합니다. 이는 바로 축 자속 모터를 실험실에서 대규모 응용 분야로 이동시키는 데 없어서는 안 될 원동력입니다.