축방향 플럭스 기계: 세그먼트화된 고정자 및 로터 요크

세분화된 고정자 및 회전자 요크는 더 이상 틈새 시장의 호기심이 아니라 토크 밀도, 열 한계, 제조 가능성이 서로 충돌하기 시작하고 이 세 가지를 한꺼번에 해결해야 하는 순간에 도달하게 되는 것입니다.

질량당 높은 토크, 짧은 기계, 기계적으로 불편함, 열적 스트레스와 같은 일반적인 축 방향 자속 이야기를 이미 알고 계실 것입니다. 요크리스 및 세그먼트 전기자(YASA) 기계의 깔끔한 다이어그램을 보셨고 모터 공급업체의 판매 주장을 읽으셨을 것입니다. 고정자와 회전자 요크의 분할이 실제 설계 제약 조건을 어떻게 변화시키는지, 그리고 멋진 다이어그램이 현실과 어떻게 일치하지 않는지 솔직하게 살펴보는 것은 놓치는 경향이 있습니다.

현직 엔지니어가 바라본 그 간극에 대한 견해입니다.

1. 모두가 멍에를 계속 잘라내는 이유

최초의 YASA 연구에 따르면 연속 고정자 요크를 버리고 집중 권선으로 감싼 개별 톱니로 교체하면 구리 충전량이 매우 높고, 권선 끝이 짧으며, 철 질량이 적기 때문에 기존 토러스 기계에 비해 토크 밀도가 높아지는 것으로 나타났습니다. 최근의 리뷰에서도 동일한 패턴이 계속 확인되고 있습니다. 출력 밀도를 추구하는 경우 요크리스 또는 세그먼트 고정자는 거의 항상 후보 목록의 맨 위에 있습니다.

하지만 최근 논문과 특허에서 더 흥미로운 추세는 세분화가 순수한 전자기 문제를 벗어나고 있다는 점입니다.

고정자 톱니는 냉각된 하우징에 닿는 자체 연자성 복합재(SMC) 슈를 갖춘 개별 열기계 모듈이 되고 있습니다. 로터 요크는 조립과 수리가 용이하도록 자체 백철 세그먼트와 자석 스택이 있는 원주형 모듈로 분해되어 캐리어 디스크에 볼트로 고정되고 있습니다. 최근의 YASA 프로토타입과 같은 고출력 기계에서는 토폴로지가 다중 로터, 다중 고정자 시스템으로 쌓여 있으며, 여기서 세분화는 플럭스만큼이나 냉각 및 제조에 관한 것입니다.

따라서 "세분화가 토크 밀도를 높인다"는 말 대신, 세분화를 통해 자기 연속성과 권선 형상, 열 경로, 모터 제작 또는 서비스 방법 등 세 가지를 동시에 제어할 수 있다는 것이 더 솔직한 경험 법칙입니다.

거래를 수락하면 고정자와 회전자 요크 모두 협상할 수 있게 됩니다.

2. 세분화된 고정자 요크: 링에서 모듈까지

기존의 축방향 자속 고정자는 톱니가 찍힌 연속 적층 링을 사용했습니다. 전자기적으로 깨끗하고 구조적으로 뻣뻣하며 바람을 잘 통하게 하거나 잘 식히기 어렵습니다. 여러분은 그 춤을 추었습니다.

세분화된 대안은 크게 두 가지 버킷으로 나뉩니다.

첫째, "진정한" 요크리스 세그먼트 전기자: 코일이 있는 분리된 톱니, 비자기 구조 디스크에 의해 운반되며 연속적인 고정자 요크가 전혀 없는 전기자. 이것이 바로 옥스포드와 유젠트의 YASA 패턴이며, 현재 문헌에서 잘 다루어지고 있습니다. 톱니는 마주 보는 자석에 대한 자체 경로를 통해서만 자속을 볼 수 있으며, 톱니 사이에 원주 자속 공유는 거의 없습니다. 그 대가는 하우징과 지지용으로 사용되는 레진 또는 SMC가 전자기학적으로는 대부분 그림에서 벗어나 있지만 이제 기계적 구조의 일부가 된다는 것입니다.

둘째, 여전히 링의 조각처럼 작동하는 세그먼트 요크 모듈입니다. 최근 US20230047862A1 특허가 대표적인 예로, 각 고정자 세그먼트는 각 축 끝에 폴 슈가 있는 SMC 슬리브 내부의 적층 코어로, 이 슈는 워터 재킷 외부 케이스와 접촉합니다. 라미네이션을 통해 코어 손실이 적고, SMC를 사용하면 비뚤어지거나 V자형 슈를 조각하고 하우징에 직접 열을 전달할 수 있습니다. 세그먼트 사이의 슬롯 개구부는 직선형, 경사형, Z형 또는 V형일 수 있어 이상한 와인딩 레이아웃에 의존하지 않고도 코깅 토크와 고조파 콘텐츠를 트림할 수 있습니다.

디자인 관점에서 보면 메시지는 단순하지만 약간 불편합니다.

"고정자 요크"는 더 이상 B-t 제약 조건에서 한 번만 크기를 조정하는 단일 링이 아닙니다. 이는 구조적 및 열적 발판 안에 있는 개별 열원 및 플럭스 경로의 필드이며, 남용할 수 있고 남용해야 할 수도 있습니다.

이러한 세그먼트를 연속 요크 치아의 축소 버전으로만 취급하면 해당 세그먼트를 제대로 사용하지 않게 됩니다.

3. 로터 요크 세분화: 자석에 관한 것만이 아닙니다.

축 방향 자속 기계의 로터 요크는 고정자에 비해 오랫동안 보수적으로 유지되어 왔습니다. 많은 YASA 스타일 모터는 여전히 세그먼트 표면 자석 또는 할바흐 어레이가 접착된 단단한 강철 디스크를 로터 요크로 사용합니다. 로터는 원심 응력을 전달하고, 플럭스는 깨끗한 복귀 경로를 원하며, 제조 공정에서는 평평한 디스크를 선호하기 때문입니다.

CN110945752B와 같은 특허는 이 기술이 어디로 향하고 있는지 보여줍니다. 로터는 원주형 모듈로 제작되며, 각 모듈에는 백철 세그먼트와 극이 번갈아 가는 자석 세트가 있고 세그먼트 길이가 전체 둘레보다 작아 여러 모듈이 로터 베이스에 타일을 씌우며, 길이 또는 폭이 확장된 플럭스 가이드(옵션)가 자석 아래 또는 옆에 있어 포화 및 누설을 조정할 수 있습니다.

전자기적으로 로터 요크를 분할하면 세 가지 주요 작업이 수행됩니다.

첫째, 원주 릴럭턴스 변조를 도입합니다. 이제 톱니에서 나오는 플럭스는 가장 가까운 로터 세그먼트를 통해 닫히는 것을 선호하며 모듈 사이의 백 아이언에는 작은 "간격"이 있습니다. 낮은 슬롯/극 조합에서는 이를 의도적으로 약한 버니어 효과로 사용하거나 코깅에 대한 추가 핸들로 사용할 수 있습니다. 극 수가 많으면 대부분 염두에 두어야 할 또 다른 고조파가 됩니다.

둘째, 전기 주파수가 수백 헤르츠 이상으로 올라가거나 할바흐 구조가 사용되고 백철 자속이 급격하게 변동할 때 문제가 되기 시작하는 요크의 와전류 경로를 분리합니다. 코어리스 및 할바흐 AFPM 기계에 대한 연구는 로터 요크 손실을 예산의 사소한 부분으로 계속 강조하고 있으며, 요크를 세분화하는 것은 이국적인 재료 없이 이를 억제할 수 있는 더 깨끗한 방법 중 하나입니다.

셋째, 로터를 키트로 만들 수 있습니다. 전체 디스크를 폐기하지 않고도 모듈을 교체하거나 극 수를 변경하거나 손상된 자석 팩을 교체할 수 있습니다. 이는 생산 엔지니어의 관심사처럼 들리지만, '600mm 로터 디스크를 다시 설계'하는 대신 '모듈 도면을 변경'하면 극-호 비율과 자석 모양을 더 적극적으로 실험할 수 있으므로 전자기 설계로 역전파됩니다.

더 많은 조인트, 더 많은 볼트, 더 많은 공차 체인 등 기계적 위험은 분명합니다. 하지만 이미 20~30개의 복합재와 구리 모듈로 구성된 고정자를 설계하고 있다면 로터를 신성하고 모놀리식으로 취급하는 것은 관성에 불과할 수 있습니다.

4. 고정자 및 회전자 분할이 서로 통신하기 시작하는 시점

에어갭의 양쪽을 모듈로 자르고 나면, 그 절단 패턴은 여러분이 자랑스럽게 최적화한 슬롯/폴 조합만큼이나 중요합니다.

이미 작성 방법을 알고 있는 확장 파생어는 건너뛰고 몇 가지 실용적인 관찰을 해보겠습니다.

고정자-톱니 피치와 로터-세그먼트 피치가 낮은 공통 배수를 공유하면 톱니 자속 밀도에서 뚜렷한 원주 방향 '핫스팟'이 생깁니다. 로터 간격과 톱니 중심이 나란히 있는 국부적인 B 피크가 증가합니다. 이는 약간의 필드 변조를 원하는 경우 유용할 수 있지만, 일반적으로 특정 편심 고조파에서 고르지 않은 톱니 포화 및 토크 리플로 나타납니다.

로터 세그먼트를 반 톱니 또는 다른 일부분만큼 엇갈리게 배치하면 자석을 기울이지 않고도 원주 기울기를 효과적으로 얻을 수 있습니다. 여러 모듈형 로터 특허에서 여러 모듈 길이와 선택적 오프셋 패턴을 허용함으로써 이를 암시하고 있으며, 공식은 없지만 아이디어는 충분히 명확합니다. 세그먼트 코어 특허의 V자 또는 Z자형 고정자 슬롯과 결합하면 스탬핑이나 프레스가 더 쉬운 툴링으로 기존 스큐의 코깅 토크 감소 효과를 상당 부분 얻을 수 있습니다.

양쪽이 분할되어 있고 둘 다 어떤 종류의 왜곡을 지원하는 경우 어느 쪽이 코깅 감소를 '소유'하는지에 대해 의식적으로 결정해야 합니다. 책임을 무작위로 나누면 완벽한 지오메트리에서는 잘 시뮬레이션되지만 모듈 간의 정확한 각도 관계를 가정하는 섬세한 균형 잡힌 취소로 인해 조립 확산에 매우 민감한 기계가 생성되는 경향이 있습니다.

유용한 정신적 지름길 중 하나는 역할을 할당하는 것입니다. 고정자 세분화는 구리, 냉각 및 대부분의 코깅 작업을 처리하고, 회전자 세분화는 자석 패키징, 요크 손실 및 제조 가능성을 처리하도록 하세요. 이렇게 하면 폐쇄형 최적값을 얻을 수는 없지만 고스트 고조파를 쫓지 않아도 됩니다.

5. 실제 요크 아키텍처 비교

아래 표는 이상적인 스케치가 아닌 현재 디자이너가 실제로 하고 있는 일을 압축한 것입니다.

코어리스 축방향 플럭스 머신을 사용하는 네 번째 열을 주장할 수도 있지만, 이는 약간 다른 설계 공간에 있으며 대부분 요크에 대한 논의를 완전히 회피합니다.

6. 분할된 요크로 노화를 촉진하는 디자인 습관

연속적인 멍에 사고의 일부 습관은 세분화된 스테이터와 모듈식 로터로 이동하면 미묘하게 오해를 불러일으킵니다.

고정자 지지대를 "기계적 전용"으로 취급하는 것도 그 중 하나입니다. 세분화된 고정자 설계에서 톱니에서 하우징까지의 구조적 경로는 SMC 슈, 레진 또는 얇은 강철 링을 통과하는 경우가 많습니다. 이 경로는 기계적 강성뿐만 아니라 각 톱니의 열 시간 상수도 설정합니다. SMC 슬리브를 사용하는 특허는 이를 명시적으로 활용합니다: SMC는 필요한 곳에 자기 전도를 제공하고 워터 재킷 케이스에 제어 가능한 열 브리지를 제공합니다. 이 결합을 무시하면 2초 동안은 맞고 나머지 듀티 사이클 동안은 틀린 시뮬레이션을 얻을 수 있습니다.

또 다른 습관은 로터 백철을 마치 균일한 링처럼 사이징하는 것입니다. 모듈식 로터에서 자속의 유효 단면은 각도의 주기 함수이므로 고정자 레이아웃, 극 호 및 모듈 경계가 잘못 정렬된 경우 일부 모듈은 다른 모듈보다 더 많은 자속을 전달할 수 있습니다. 이를 조기에 파악하는 간단한 방법은 각 로터 모듈에 자체 백철 요소가 있는 2D 원주 릴럭턴스 네트워크를 실행하고 몇 가지 슬롯/극 조합으로 자속이 어떻게 분포하는지 확인하는 것입니다. 이 모델은 상을 받지는 못하지만 3D FEA 메시를 만드는 데 시간을 투자하기 전에 잘못된 패턴을 찾아낼 수 있습니다.

세 번째 습관은 토크 리플 제어를 위해 자석 스큐에 과도하게 의존하는 것입니다. 이제 세분화된 고정자 특허를 통해 다양한 모양의 슬롯 개구부, 기울어진 신발, 심지어 Z자형 경로까지 모두 톱니 지오메트리에 구워낼 수 있습니다. 로터 분할과 결합하면 자석을 단순하고 기계적으로 견고하게 유지하면서 대부분의 리플 제어를 정적 철로 전환할 수 있습니다. 이렇게 하면 자석 소싱과 조립이 간소화되며, 이는 야사, 메르세데스 등이 이야기하는 대량 생산으로 나아갈 때 더욱 중요합니다.

7. 열 및 전류 밀도: 세분화가 게임을 바꾼 방법

최근 기록적인 수준의 축 자속 모터가 성공하지 못하는 이유는 누군가 마법의 새로운 자석을 발견했기 때문이 아닙니다. 토폴로지와 냉각에 크게 의존하고 있으며, 고정자와 회전자 요크의 세분화가 두 가지 모두에 적용되고 있습니다.

예를 들어, YASA의 현재 프로토타입은 40kW/kg 이상의 전력 밀도를 보고하고 있으며, 후기 유닛은 약 59kW/kg의 밀도로 기존 산업 카탈로그에서 공격적으로 보일 수 있는 현재 밀도에 도달했다고 주장합니다. 사진과 일반적인 재료 데이터에서 형상을 재구성하는 독립적인 분석에서도 동일한 결론에 도달합니다. 여러 개의 요크리스 스테이지를 쌓고 매우 직접적으로 냉각하는 것이 이 수치를 그럴듯하게 만드는 것입니다.

고정자 톱니가 별도의 모듈이 되면 각 톱니 주위에 구리를 단단히 감고 오일 또는 냉각수를 위한 제어된 간격을 남겨두고 냉각된 하우징으로 열을 바로 공급할 수 있습니다. 최근 MDPI 작업에서처럼 톱니와 하우징 사이에 SMC 슈 또는 히트 파이프를 사용하면 열 경로가 충분히 짧아져 온도 상승 예산에 대해 솔직하다면 상당한 듀티 사이클 동안 구리의 40~60A/mm²를 견딜 수 있습니다.

로터 세분화는 여기에서도 도움이 됩니다. 백철과 자석 스택을 모듈로 나누면 표면적이 넓어지고 로터 캐리어를 통해 냉각 오일이나 가스를 라우팅할 수 있는 옵션이 많아지며, 고주파에서 부드러운 로터 디스크가 히터로 바뀌는 와전류 손실 밀도를 제한할 수 있습니다. 매우 빠른 팁 속도의 경우, 전체 디스크가 아닌 모듈별로 포화 마진과 기계적 강도를 비교하여 모듈마다 다른 재료를 고려할 수도 있습니다.

그 결과 전류 밀도와 열 제한이 더 이상 연속 요크의 냉각 상태가 가장 나쁜 영역에 의해 결정되지 않습니다. 세분화를 통해 손실이 가장 높은 곳에 냉각 용량을 편향시킬 수 있습니다. 이는 조용하지만 심각한 변화입니다.

8. 앞으로의 방향

연구 파이프라인에는 이미 방사형 자속 밀도 불균형을 해결하기 위해 내부와 외부가 분리된 세그먼트 톱니, SMC 모듈형 고정자가 있는 하이브리드 축-방사형 자속 기계, 항공기 추진을 위한 멀티스택 철리스 설계 등 새로운 방향으로 세분화를 추진하는 다양한 변형이 가득합니다. 비교 연구에 따르면 요크리스 및 세그먼트 전기자 구조가 제조 복잡성을 수용하면 토크 밀도와 효율성 측면에서 기존의 축 방향 자속 레이아웃을 능가하는 것으로 나타났습니다.

산업적 측면에서 야사의 모터는 메르세데스, 람보르기니, 페라리 등과 함께 컨셉트카에서 양산으로 전환하고 있으며, 공개 특허를 보면 고정자 및 회전자 모듈화가 점점 더 뚜렷해지고 있음을 알 수 있습니다. CN110945752B 및 관련 출원에 설명된 모듈형 로터 및 고정자 키트는 소형 및 중출력 기계의 경우 극 수와 직경이 새로운 부품 번호가 아닌 구성 매개변수일 뿐인 제품군을 암시합니다.

따라서 오늘날 축 방향 플럭스로 작업하는 경우 "연속 요크, 단순 디스크 로터"가 실용적인 것의 상한선이 아니라 점차 보수적인 설계의 기준이 될 것이라고 가정하는 것이 합리적입니다.

9. 짧고 직설적인 요점

모놀리식 요크를 사용하면 더 단순한 모델과 더 간단한 툴링을 얻을 수 있으며, 여전히 훌륭한 축 방향 자속 기계를 제작할 수 있습니다. 세그먼트화된 고정자 및 회전자 요크를 채택하면 설계 공간이 더 복잡해지지만 구리 형상, 열 경로 및 제조 가능성을 더 세밀하게 제어할 수 있습니다.

최근의 연구와 현재 조용히 생산에 들어간 모터의 증거는 이 혼란을 처리할 가치가 있다는 것을 보여줍니다.