개요: AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 모터는 편평한 구조와 높은 토크 밀도를 가지고 있어 전기 자동차, 드론 등 첨단 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 그러나 성능 한계를 더욱 뛰어넘기 위해서는 로터 설계가 중요한 변수입니다. 이 기사에서는 Halbach 어레이의 자속 집중 원리부터 시작하여 이중 경사 폴 구조의 향상된 설계에 대해 설명합니다. 컴퓨터 지원 설계의 최전선으로 이동하여 다목적 유전 알고리즘과 메타휴리스틱 방법이 모터 설계에서 파레토 최적성을 달성하는 방법을 검토합니다. 마지막으로, 연자성 복합재(SMC) 재료의 거의 그물 모양 성형 공정에 초점을 맞추고 이 기술이 엔지니어링 프로토타입에서 축 자속 모터의 대량 생산에 이르기까지 '라스트 마일'을 연결하는 데 어떻게 도움이 되는지 논의합니다.
I. Halbach 배열 및 이중 편향 극: 자기장의 '융합' 및 '형성'
축방향 자속 모터의 성능 한도는 회전자 측의 영구 자석에 의해 생성된 자기장 분포의 품질에 따라 크게 달라집니다. 기존의 표면 실장 영구 자석(SPM) 구조는 단순하지만 자속 선이 발산한다는 본질적인 단점으로 인해 에어 갭 자속 밀도가 제한되고 누설 자속이 높습니다.
Halbach 어레이는 거의 이상적인 솔루션을 제공합니다. 이는 영구 자석의 특수 배열입니다. 인접한 자석의 자화 방향이 순차적으로 90° 회전하므로 배열의 한쪽에서는 자기장이 강화되고 다른 쪽에서는 거의 완전히 상쇄되어 자기 차폐 효과를 얻습니다 . 보다 직관적인 용어로 말하면, 기존 자기 회로에서는 자속 선이 대칭적으로 발산하는 반면 Halbach 배열은 자속 선을 작동 에어 갭 측에 '제한'하여 효율적인 자속 포커싱을 실현합니다. 실험에 따르면 Halbach 어레이를 사용하는 축방향 자속 모터에서 토크 밀도는 최대 28%까지 증가하고 코깅 토크는 65%까지 감소할 수 있는 것으로 나타났습니다.
그러나 Halbach 어레이는 실제 로터 설계에서도 문제에 직면해 있습니다. 에어 갭 자속 밀도의 정현파 품질이 향상되었음에도 불구하고 토크 리플, 특히 코깅 토크는 원활한 작동을 위한 주요 병목 현상으로 남아 있습니다. 이중 편향 극 자석 기술의 도입은 이러한 문제점을 해결하기 위한 정밀한 개입입니다.
에 게재된 태국 Khon Kaen 대학의 2024년 연구팀은 IEEE Access 기울어진 Halbach 배열을 갖춘 혁신적인 TORUS 축 자속 모터를 제안했습니다. 영구 자석을 기울어진 구성(이중 기울어진 극 형성)으로 배열함으로써 개선된 모터는 기준선과 비교하여 무부하 조건에서 역기전력이 4% 증가하고 코깅 토크가 9.3% 감소한 것으로 나타났습니다. 부하 시 평균 토크는 8% 증가하고 토크 리플은 7.8% 감소했습니다. 이러한 개선은 에 기인할 수 있습니다 자속 집중 및 자속 제거 효과의 시너지적 향상 . 기울어진 구조는 공간에서 자기장 조절의 자유도를 확장하여 에어갭 자속 밀도의 고조파 구성 요소를 효과적으로 억제합니다.
다른 연구에서는 연자성 복합 코어가 있는 축 자속 모터의 경우 2세그먼트 불평등 폭 Halbach 어레이의 축 자화 계수(최적 값 ~0.82)를 분석적으로 최적화하여 추가 토크 향상을 달성할 수 있음을 확인했습니다. 보다 최근의 결과는 훨씬 더 나아졌습니다. 에 발표된 2025년 연구에서는 Scientific Reports 채택했으며 이중 스큐 Halbach 어레이 양면 축 자속 영구 자석 모터를 다목적 유전 알고리즘 최적화를 통해 평균 토크가 7.8% 증가하고 토크 리플이 크게 감소했습니다.
II. 컴퓨터 지원 설계의 '에이스 무기': 다목적 유전 알고리즘 및 메타휴리스틱 방법
Halbach 배열이 '무엇을 해야 할까요?'라는 질문에 대답하면 최신 최적화 알고리즘은 '최적으로 수행하는 방법'이라는 질문에 대답합니다. 축방향 자속 모터의 경우 회전자 형상, 자석 크기, 자화 각도 및 스큐 각도와 같은 설계 변수가 복잡한 비선형 방식으로 결합되며 기존의 단일 매개변수 스윕 또는 시행착오 방법은 오랫동안 한계에 도달했습니다.
MOGA(다목적 유전 알고리즘) 는 현재 가장 성숙한 솔루션 클래스입니다. 이들은 자연의 '적자 생존' 및 '유전적 변이' 메커니즘을 모방하여 선택, 교차 및 돌연변이 작업을 통해 파레토 최적 솔루션 세트에 대한 광대한 설계 공간을 자동으로 검색합니다. 파레토 전선의 각 지점은 비지배적 절충 관계를 나타냅니다. 즉, 다른 목표를 희생하지 않고는 어떤 목표도 더 이상 개선될 수 없습니다.
특히 NSGA-II(Non-dominate Sorting Genetic Algorithm with Elitism)가 가장 널리 사용되는 변형입니다. V자형 내부 영구자석 버니어 모터에 대한 국내 연구에서는 BP 신경망 대리 모델과 NSGA-II의 결합으로 토크와 코어 손실 최적화 모두에서 10% 이상의 개선을 달성했습니다. 국제 최전선에서 중 Liu Huijun 팀의 2025년 연구는 전자기학 연구 C 진행 출력 토크를 최대화하고 토크 리플을 최소화하는 이중 목표를 갖춘 다목적 유전적 최적화 프로세스를 체계적으로 시연했습니다. 또한 플랫 와이어 영구자석 동기 모터의 회전자 슬롯 구조 최적화를 위해 유전 알고리즘과 TOPSIS 방법의 조합도 제안되었습니다.
다목적 유전자 알고리즘은 단독으로 작동하지 않습니다. 메타 휴리스틱 계열은 문제 특성에 따라 다양한 역할을 수행합니다.
· 새 떼에서 영감을 받은 입자 떼 최적화(PSO) 는 연속 변수의 전역 최적화에 탁월합니다. 코어리스 고정자 축계 영구자석 모터의 최적화에서는 단위 영구자석 부피당 출력 전력을 최대화하기 위해 GA와 PSO가 모두 사용되었습니다. 가중 관성 조정 PSO는 축 분할 위상 자기 부상 스위치 릴럭턴스 플라이휠 모터의 구조 매개변수 최적화에도 적용되었습니다.
· 인공 신경망(ANN)은 대리 모델 역할을 합니다. 각 유한 요소 시뮬레이션(특히 3D FEM)은 몇 분에서 몇 시간까지 걸릴 수 있으므로 이를 최적화 루프에 직접 포함하면 엄청난 계산 부담이 발생합니다. 따라서 연구자들은 종종 충실도가 높은 FEM 데이터에 대해 ANN 대리자를 교육하여 1시간 동안의 시뮬레이션을 2차 예측으로 대체하고 계산 효율성을 극적으로 향상시킵니다. 영구 자석 보조 스위치 릴럭턴스 모터의 최적화에서는 다중 목적 최적화를 달성하기 위해 NSGA-II와 함께 유전 알고리즘 최적화 지원 벡터 머신(GASVM)을 사용했습니다.
· 개미 군체 최적화(ACO)는 축방향 자속 모터의 효율 최적화에도 적용되었습니다. 이중 고정자 단일 회전자 축 자속 브러시리스 DC 모터의 최적화에서 GA는 효율을 91.01%에서 91.57%로 향상시켰고, ACO는 효율을 91.80%로 더욱 향상시켰습니다.
이러한 메타휴리스틱 방법을 결합하면 실제 작동 조건에서 축방향 자속 모터의 전체 효율이 최대 약 15% 향상되었습니다 . 이는 고효율 구동 시스템에 대한 업계 표준이 점점 더 엄격해지는 상황에서 중요한 성과입니다.
III. SMC 재료 및 Near-Net-Shape 성형: 로터 제조의 '기하학적 자유'
Halbach 어레이와 다목적 최적화가 축방향 자속 모터의 '전자기 설계' 문제를 해결한다면 연자성 복합재(SMC) 재료와 거의 순 형상 성형 기술이 함께 '제조 가능성'의 규칙을 다시 작성하게 됩니다.
연자성 복합재료는 철계 분말을 전기절연 바인더로 압착하여 분말야금 공정을 거쳐 만든 자성재료이다. 분말 야금 공정은 자성 입자 사이에 절연층을 생성하여 와전류 손실을 효과적으로 줄입니다. 동시에 SMC는 등방성 자기 특성을 나타냅니다. 이는 기존 실리콘강 라미네이션의 이방성 동작과 근본적인 차이입니다. 규소강은 2차원 압연 방향에서만 높은 자속 밀도(포화도 ≥ 2.0T)를 전달할 수 있지만 복잡한 3차원 자기 회로에서는 성능이 좋지 않습니다. 반면, SMC는 진정한 3차원 자속 경로 설계를 지원하므로 본질적으로 3D 자기장 분포에 의존하는 축 자속 모터와 같은 새로운 토폴로지를 위한 이상적인 재료 캐리어입니다.
더 중요한 것은 SMC가 전례 없는 갖춘 로터 설계를 제공한다는 것입니다. 수준의 제조 자유도를 .
전통적인 실리콘 강철 코어는 스탬핑, 스태킹, 용접 등의 긴 공정 체인을 통해 재료 활용도가 낮고 기하학적 제약이 심하여 제조되어야 합니다. 분말 야금을 사용하는 SMC는 매우 복잡한 기하학적 형상을 단일 단계로 성형할 수 있습니다. 이것이 의 핵심 의미입니다 '니어넷 형상 성형' . 즉, 최종 형상에 가까운 디자인을 금형에 눌러 직접 구현할 수 있어 후속 가공이 크게 줄어듭니다.
이러한 장점은 축방향 자속 모터에서 특히 두드러집니다. 일본분말야금학회의 2025년 연구에서 SMC는 고정자의 톱니와 이중 플랜지를 일체로 형성하는 데 사용되었으며, 고정자와 회전자 사이의 반대 면적을 크게 늘리는 동시에 전자기 성능과 제조 효율성을 향상시켰습니다. 2025년 10월 국내 업계 보고서에서도 SMC가 등방성 자기 특성, 낮은 와전류 손실, 3D 플럭스 설계 지원 덕분에 축형 플럭스 모터를 고성능, 낮은 에너지 소비 및 안정적인 대량 생산을 향해 나아가고 있다고 지적했습니다. 현재 공정 수준에서 SMC 고정자의 일관성은 15% 이상 향상되었으며 전체 수율은 96%를 초과했습니다.
고급 응용 분야에서는 SMC가 실리콘강과 결합되어 하이브리드 고정자 구조를 형성합니다 . 즉, 실리콘강은 2D 자기 경로에 대해 높은 자속 밀도(≥ 2.0T)를 전달하는 반면 SMC는 복잡한 3D 자속을 처리합니다. 두 재료 모두 각각의 장점을 활용하는 동시에 와전류 손실과 설계 복잡성을 줄입니다.
물론 SMC에도 단점이 없는 것은 아니다. 투자율은 규소강보다 낮기 때문에 매우 저주파 응용 분야에서 피크 자속 밀도가 제한됩니다. 게다가 취성 특성으로 인해 로터 측 사용 시 기계적 강도 고려 사항이 더욱 중요해집니다. 그럼에도 불구하고 축형 자속 모터의 고정자 코어의 복잡한 형상의 경우 SMC의 장점은 단점보다 훨씬 큽니다. 이것이 축형 자속 모터의 상용화를 가속화하기 위한 핵심 촉매제 로 간주되는 이유입니다..
IV. 결론: 세 가지 핵심, 하나의 사명
자기 회로 원리(Halbach 어레이 및 이중 스큐 극)의 혁신부터 설계 방법론의 재구성(다목적 유전 알고리즘 및 메타휴리스틱 방법), 그리고 마지막으로 재료 및 제조의 패러다임 전환(SMC에 가까운 그물 모양 형성)에 이르기까지 고성능 축 자속 모터 로터의 설계는 '경험 중심'에서 '계산 중심 + 재료 중심'으로 심오한 변화를 겪고 있습니다.
Halbach 어레이는 자속을 전례 없는 수준으로 집중시킵니다. 이중 경사 극 구조는 정밀한 리플 억제를 달성합니다. 다목적 유전 알고리즘과 메타휴리스틱 방법은 방대한 검색 공간에서 전자기, 열, 제조 비용 간의 파레토 최적 상충 관계를 효율적으로 찾습니다. SMC는 기존 제조 방식의 3차원적 제약을 깨고 이전에는 학술 논문에만 존재했던 복잡한 형상에 대한 대량 생산 가능성을 제공합니다. 이 세 가지 핵심 요소 단일 목표를 향해 함께 모였습니다 . 는 성능 저하 없이 자동차, 항공기, 로봇 및 가전 제품에 축방향 자속 모터를 저렴한 비용으로, 리드 타임을 단축하고, 신뢰성을 높이는
엔지니어와 연구원에게 이는 기술 경계의 지속적인 확장일 뿐만 아니라 포착할 가치가 있는 디자인 패러다임 전환의 창이기도 합니다.
