통합 구동 장치: 고정자 패키징과 회전자 크기 간의 상충 관계

통합 구동 장치는 기하학적 오류를 용납하지 않습니다. 고정자 패키지와 회전자 비율을 확정하는 순간, 토크 밀도, 음향 특성, 냉각 복잡성, 부품 목록(BOM)은 물론 10년 후 서비스 기술자가 장치를 향해 내뱉을 욕설까지 결정됩니다. 소프트웨어는 가장자리를 다듬을 뿐, 금속이 문제의 형태를 정합니다.

당신이 실제로 설계하는 대상 시스템 박스

대부분의 EDU 논문은 효율성 맵과 전력 밀도에 대해 다루지만, 차량 팀들은 다른 수치들을 중요하게 여깁니다: 차축 간 공간, 충돌 레일, 서브프레임 고정점, 배터리 터널 여유 공간 등이 그것입니다. 현대식 EDU에 대한 리뷰에서도 동일한 경향이 나타납니다: 모터, 기어박스, 인버터는 단순히 축을 공유하는 세 개의 별개 부품이 아닌 하나의 기계적 객체로 함께 설계됩니다.

이는 고정자 외경과 회전자 외형이 단독으로 '모터 설계 변수'가 아님을 의미합니다. 이들은 기어셋, 차동기어, 인버터와 함께 공간을 놓고 경쟁하는 요소들입니다. AVL 등의 고속 e-액슬이 이를 명확히 보여줍니다: 회전자 길이와 직경을 극한까지 압축한 후, 기어 트레인의 더 높은 회전수와 더 큰 감속비로 그 대가를 치릅니다.

따라서 EDU 주조, 하프 샤프트 각도 또는 인버터 브릭 두께를 무시하는 로터 크기 상충 관계에 대한 논의는 이미 불완전하다.

고정자 패키징을 먼저 할 것인가, 아니면 회전자 크기를 먼저 할 것인가?

이론적으로는 토크와 기본 속도부터 시작해 모터 토폴로지를 선택한 다음, CAD가 나머지 부품들의 배치를 결정하도록 할 수 있습니다. 실제 프로그램에서는 종종 반대 방향으로 진행됩니다. 차체 본체의 고정 지점들은 하프 샤프트와 인버터 면 사이에 모터의 '경계 실린더'를 제공합니다. 기어박스는 그 공간의 일부를 차지하려 합니다. 열 설계자들은 벽 두께와 오일 갤러리를 요구합니다. 이런 줄다리기가 끝난 후에야 비로소 실제로 남은 로터 직경과 스택 길이를 알게 됩니다.

루시드의 컴팩트 드라이브가 좋은 예시입니다: 로터, 스테이터, 냉각 하드웨어, 행성 기어 세트가 촘촘히 중첩되어 있으며, 차동 장치는 로터 샤프트 안으로 끌려 들어갑니다. 기어 세트가 일렬로 배치되어야 하기 때문에 모터는 축 방향으로 자유롭게 확장될 수 없습니다. 또한 하우징이 여전히 서스펜션 부재 사이에 위치해야 하기 때문에 반경 방향으로도 확장될 수 없습니다.

솔직한 답변은: 고정자나 회전자 중 어느 쪽이 먼저라고 할 수 없습니다. EDU 외형이 우선이며, 회전자/고정자 형상은 그 외형이 전기적, 열적, 기계적으로 작동하도록 해결해야 할 과제입니다.

로터 직경 대 길이: 하우징 내부에서 벌어지는 조용한 싸움

이 분야의 모든 사람들은 기본적인 비례 관계를 알고 있습니다. 토크는 에어갭 반경, 축방향 길이, 전단 응력에 비례합니다. 하우징이 불만을 표시할 때까지 로터 직경을 늘려서 토크를 쫓고 싶은 유혹이 있습니다. 이는 한동안 효과가 있습니다. 그러다가 비이상적인 현상들이 나타나기 시작합니다.

직경이 클수록 동일한 기계적 분당 회전수(rpm)에서 로터 끝단 속도가 증가한다. 슬리브와 자석의 원심 응력은 속도의 제곱에 비례하여 상승하므로, 특정 최대 rpm에서 특정 반경을 초과하면 기계적 안전 여유가 급격히 줄어든다. 고속 샤프트 연구와 새로운 로터 냉각 개념은 소형 전기차(EV) 모터에서 이러한 응력과 온도를 관리하는 데 얼마나 많은 노력이 투입되고 있는지 보여준다.

반면 길고 가느다란 로터는 고유한 문제점을 안고 있다. 굽힘 모드를 증가시키고, EDU에서 기어 맞물림 진동을 증폭시킬 수 있으며, 적층 공차 측면에서 골칫거리가 된다. e-액슬 관련 NVH 논문들은 특히 모터 회전수를 1만 회전대 후반으로 끌어올릴 경우, 샤프트와 로터 모드가 하우징 및 기어 동역학과 결합하여 실내 정숙성에 불리한 방식으로 작용함을 보여준다.

이 모든 것은 명백한 사실 위에 놓여 있습니다: 직경은 고정자의 구리 경로 길이, 고정자 치아의 자속 밀도, 그리고 요크에 필요한 철의 양에 영향을 미칩니다. 길이는 단말 권선 비율, 축방향 누설 경로, 그리고 때로는 냉각 분포에 영향을 미칩니다. 당신은 이미 방정식을 알고 있습니다; EDU에서 중요한 것은 이러한 전자기적 효과가 주조물, 기어, 그리고 오일과 어떻게 상호작용하는가입니다.

로터 형상 선택에 대한 간결한 접근법

통합 단원에서 계속 되돌아보는 기하학적 결정들을 요약하는 한 가지 방법은 다음과 같습니다:

중요한 것은 한 가지 선택이 '옳다'는 것이 아니다. 한 번 편향을 선택하면, 그에 따른 일련의 부차적 결정들이 거의 강요당하게 된다는 점이다.

고정자 패키징, 슬롯, 그리고 바로 옆에 있는 인버터

현대식 전기차 모터는 이미 익숙한 고정자 기술을 사용합니다: 높은 슬롯 채움률을 위한 헤어핀 또는 바 권선 고정자, 분할형 고정자 코어, 일부 설계에서는 집중 권선 등이 대표적입니다. 그러나 모터가 EDU(전기 구동 장치) 내부에 위치할 경우, 이러한 선택은 단순히 전자기적 측면만을 고려하는 것이 아닙니다.

분할형 고정자와 분할 슬롯 집중 권선은 제조 공정 간소화, 높은 슬롯 충전률 달성, 개별 세그먼트 내 냉각 채널 통합이 가능하다는 점에서 매력적이다. 미국 에너지부(DOE) 등의 연구에 따르면 이러한 개념은 통합 냉각을 통해 공격적인 전력 밀도 목표를 충족한다. 그러나 세그먼트 접합부, 추가적인 엔드플레이트 구조, 복잡한 냉각수 경로 등은 모두 로터 반경이나 기어박스 요소에 할당될 수 있었던 공간을 차지한다.

헤어핀 권선은 Ampera-e와 같은 양산형 모터에 사용되며, 고정자 슬롯 면적을 효율적으로 활용하고 자동화 생산과 잘 어울립니다. 그러나 EDU에서는 헤어핀 끝단 회전이 축방향 공간을 필요로 합니다. 이로 인해 모터의 축방향 길이가 증가하거나 기어셋의 길이를 빼앗게 됩니다. 또한 냉각 및 버스바 배선이 이미 복잡한 바로 그 위치에 구리 밀집 영역을 생성합니다.

인버터 패키징은 다시 피드백을 발생시킵니다: 더 두꺼운 파워 모듈과 버스바는 고정자 외경(OD)을 증가시키거나 모터가 기어셋에 대해 상대적으로 이동하도록 강제할 수 있으며, 이는 베어링 숄더와 로터 지지대를 배치할 수 있는 위치를 변경시킬 수 있습니다. 기하학적 논의는 순환합니다.

NVH, 모드, 그리고 사양서에 나타나지 않는 소음

EDU는 FFT 플롯보다 고객의 귀를 통해 평가됩니다. 그리고 로터/스테이터 형상은 그 귀에 강하게 드러납니다.

로터 직경과 길이는 회전 어셈블리의 강성과 질량을 변화시켜 축의 굽힘 및 비틀림 모드에 영향을 미칩니다. 이 현상이 기어 맞물림 주파수 및 인버터 스위칭 고조파와 상호작용할 경우, 소프트웨어 필터로는 완전히 제거하기 어려운 음조 잡음이 발생할 수 있습니다. 전기 차축의 NVH 연구는 후기 단계의 임시방편적 해결책이 아닌, 전자기력, 구조 모드, 기어 역학 간의 초기 공동 설계를 강조합니다.

고정자 형상도 중요합니다: 좁은 이빨과 높은 슬롯 수는 힘 파동수를 변화시켜 주된 진동을 객실 음향 전달 함수의 덜 민감한 영역으로 이동시킬 수 있습니다. 그러나 지나치게 높은 슬롯 수는 제조 복잡성을 증가시키고 헤어핀 또는 세그먼트 접합부의 패키징 규칙과 충돌할 수 있습니다. 다시 말해, 무료 이득이 아닌 절충점입니다.

통합 장치 내부의 냉각 현실

현재 EDU 냉각 전략을 살펴보면 일정한 패턴이 나타납니다. 오일 또는 절연유가 로터와 고정자를 세척한 후, 열을 물-글리콜 순환계로 전달하고 다시 라디에이터로 보냅니다. 오일 회로는 기어, 베어링, 씰과 공간을 공유하며, 구동계 팀이 윤활 및 교반 손실 제어에 필요한 모든 요소도 함께 포함됩니다.

냉각 관련 리뷰와 선택 가이드에서는 이제 로터, 고정자, 하우징, 심지어 인버터까지 하나의 열적 객체로 고려해야 한다고 강조합니다. 손실 밀도가 높은 두꺼운 로터는 전자기적으로는 괜찮을 수 있지만, 샤프트를 통한 복잡한 덕트식 액체 냉각이나 매우 공격적인 오일 분사 방식을 강요할 수 있으며, 이는 펌프 동력 증가와 설계 위험을 초래합니다. 길고 가는 로터는 손실을 축 방향으로 분산시키지만 동일한 냉각수 유량에 더 긴 하우징과 더 많은 표면적이 필요할 수 있으며, 이 역시 비용이 발생합니다.

고정자 패키지는 이와 상호작용합니다. 내부 재킷, 고정자 세그먼트 내 매립 채널, 그리고 끝단 권선의 직접 냉각은 모두 주조된 기능이나 삽입물이 필요합니다. 이러한 기능들은 로터 반경이나 기어 면 너비로 활용될 수 있었던 방사형 및 축방향 공간을 차지합니다.

회의실에서 실제로 도움이 되는 디자인 휴리스틱

형식적 다중 영역 최적화 도구는 유용하며, 머신러닝을 활용한 통합 e-액슬 공동 최적화에 관한 최근 연구는 인상적이다. 그러나 엔지니어링 팀은 여전히 단순한 패턴을 기반으로 초기 결정을 내린다.

한 가지 패턴: 모터가 아닌 차량과 기어박스부터 시작한다. 최대 허용 EDU 외부 외피, 감속 전략, 인버터 브릭 부피를 고정한다. 이를 통해 모터용 '예산 실린더'를 확보한다. 이 예산 범위 내에서 사용 가능한 자석 재료, 격납 기술, 고객의 NVH 기대치에 부합하는 회전자 속도 대역을 선택한다.

속도 대역이 확정되면, 전자기, 기계, 열 설계 팀 간 공통 기준으로 로터 직경을 활용하라. 직경이 1mm 증가할 때마다 토크 밀도 또는 손실 감소 측면에서 명확하고 정량화 가능한 이점을 확보해야 하며, 그 대가는 격리 장치, 팁 속도, 오일 교반 현상에서 가시적으로 드러나야 한다. 축방향 길이는 이후 설계 검토마다 은밀히 증가하는 변수가 아닌, 구동 주기 전반에 걸쳐 효율을 합리적인 수준으로 유지하는 변수로 기능한다.

두 번째 패턴: 고정자 패키징 요소를 동일한 예산 내의 별도 항목으로 취급하라. 분할형 고정자나 복잡한 냉각 재킷이 제안될 경우, 제조 비용, 수리 전략, 또는 현실적인 주행 사이클(피크 시점뿐만 아니라)에서 측정된 효율성 또는 전력 밀도 개선 측면에서 명시적인 정당성을 요구하라. 그렇지 않으면 해당 재료는 불분명한 이득을 위해 단순히 회전자의 공간을 차지할 뿐이다.

다음으로 바뀔 것들: 소재, 속도, 그리고 통합 기술

무역 환경은 정적이지 않다. 최근 견인 모터 개발 동향을 살펴보면, 단순히 직경을 늘리는 방식이 아닌 고출력 밀도를 달성하기 위해 기계적 회전 속도 향상, 비전통적 로터 소재, 다중 로터 또는 축방향 자속 개념에 대한 관심이 증가하고 있음을 알 수 있다.

탄소섬유 강화 로터 슬리브와 구조용 로터 본체까지 연구 논문에서 본격적인 시제품 단계로 진입하며, 높은 선단 속도에서 우수한 밀봉 성능을 제공하고 컴팩트한 하우징 내 더 공격적인 로터 직경 설계를 가능케 한다. 다중 고정자 다중 회전자 구조는 기계적 복잡성과 때로는 축방향 증가를 대가로, 외경 증가 없이 토크 생성 단계를 중첩할 수 있다.

고정자 측에서는 새로운 냉각 레이아웃과 통합형 인버터-모터 개념으로 인해 기존의 "모터 통에 부품을 볼트로 고정하는" 방식이 점차 사라지고 있다. 인버터를 모터 하우징 주위나 내부에 감싸는 통합 설계는 확장 가능 방향과 규모를 변화시킬 뿐만 아니라 열이 실제로 이동하는 위치도 바꾼다.

따라서 로터 크기와 고정자 패키징은 여전히 전력 밀도와 EDU 소형화를 위한 두 가지 주요 수단이지만, 이를 둘러싼 소재 및 통합 기술은 지속적으로 확장되고 있다. 이는 긍정적인 소식이지만, 기존 경험칙을 새로운 데이터와 정기적으로 재검토해야 함을 의미하기도 한다.

그렇다면 교육용 디자이너는 어떻게 해야 할까요?

통합 구동 장치의 설계 책임자라면, 제한된 공간 내에서 로터 반경, 축방향 길이, 고정자 구리, 강철, 냉각 구조, 기어셋, 인버터에 각각 얼마나 할당할지 결정하는 것입니다. 각 밀리미터마다 역할이 있습니다.

실용적인 접근법은 해당 작업들을 명시적으로 만드는 것이다. 로터 직경, 로터 길이, 고정자 패키징 선택 사항을 구체적인 시스템 지표와 연계해야 한다: 단순히 최대 kW나 Nm뿐만 아니라 주행 사이클 효율, 펌프 전력, 음향 목표치, 조립 복잡도, 단위당 CO₂, 서비스 전략까지 포함해야 한다. 모델과 테스트 데이터를 활용하여 단순히 전자기학에서 NVH로, 또는 냉각에서 제조로 문제를 전가하고 있지 않은지 확인해야 한다.

이를 꾸준히 실천하면 "로터 크기 상충관계"는 더 이상 추상적인 모터 설계 주제가 아닙니다. 이는 EDU 팀 전체가 공유하는 언어가 되어, 모두가 모터가 왜 정확히 그 정도로 두껍고 길며 복잡하게 설계되었는지 이해할 수 있게 됩니다.