47-47 2025 [춘계학술대회]
| 제목 | 축방향 자속모터의 공극 유지를 위한 회전체 구조 개선에 관한 연구 |
|---|---|
| 분야 | 모빌리티 동력 및 구동시스템 |
| 언어 | Korean |
| 저자 | 김재현(현대모비스) |
| Key Words | Axial Flux Motor(축방향 자속모터), Rotor(회전자), Deformation(변형), Von Mises Stress(폰 미세스 응력), Centrifugal Force(원심력), Air Gap(공극) |
| 초록 |
미래 모빌리티 산업은 글로벌 탄소 저감 정책과 기술 발전에 발맞추어 친환경 이동 수단에 대한 개발을 향하고 있다. 국내/외 자동차 업계는 전기를 동력으로 하는 차량(xEV, EV/HEV/PHEV/FCEV) 뿐만 아니라 도심항공교통(UAM, Urban Air Mobility)과 같이 가볍고 높은 출력을 낼 수 있는 구동시스템에 대한 개발에도 꾸준히 관심을 가지고 있다. 이처럼 전기 구동시스템의 주 구동력을 결정하는 구동모터의 경우, 동일한 패키지 내에서 출력 밀도가 높고 에너지 효율이 좋은 고출력/고효율 모터 기술에 대한 수요가 더욱 높아지고 있다. 구동모터는 그 작동 방식에 따라 방사형 자속모터(RFM, Radial Flux Motor)와 축방향 자속모터(AFM, Axial Flux Motor)로 구분할 수 있다. 현재 양산되는 대부분의 xEV에서 채택하고 있는 시스템은 RFM으로, 내전형 RFM의 경우 회전자가 고정자 아세이 내부에서 회전하는 구조로 원심력에 의한 회전자 변형이 적다는 장점이 있다. AFM의 경우 회전축 방향으로 고정자와 회전자가 나란히 배열되는 형태를 가지기 때문에 동일 출력의 RFM보다 축방향 공간을 적게 사용하여 출력 밀도는 높지만 회전자의 변형이 크다. 또한 RPM 구간별 동일한 제어성능을 내기 위해서는 자기적 공극(Air Gap)을 일정하게 유지하는 것이 필수적인데, SSDR(Single Stator Dual Rotor) AFM의 경우 비대칭 구조와 원심력으로 인한 변형으로 인해 이를 유지하기가 매우 어렵다. 이에 본 연구에서는 회전자의 원심력에 의한 축방향 변형을 최소화할 수 있는 회전체 디자인을 해석적 방법으로 도출해 내고자 하였다. 본 연구에서는 축방향 자속모터의 타입 중 요크리스 스테이터와 백 아이언을 가지는 로터 모델을 기반으로, 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 활용하여 회전자의 고속 회전 구간에서의 구조적 특성을 분석하였다. 구조해석은 빠른 모델링과 케이스 별 검증을 위해 ELFINI Solver를 지원하는 CATIA V5의 정적 해석 툴을 사용하였다. 공극 유지와 마그넷 정렬을 위해 목적함수는 축방향 변위로 설정하였고, 회전체의 형상을 변수로 Parametric Study를 진행하였다. 허용 공극의 범위는 0.5mm~1mm로 설정하여 형상별 설계 가이드를 제시하였다. 회전체의 물성은 구조용 탄소강인 S45C와 SCM440을 기준으로 Von Mises Stress를 비교 분석하여 제작 비용 절감과 구조 최적화를 목표로 하였다. ELFINI Solver 선형 분석의 한계인, 시뮬레이션 과정에서 재료의 인장 강도를 초과한 응력 집중이 발생하는 형상은 회전체에 소성변형이 발생하는 것으로 판단하여 추가 분류하였다. 결과적으로 축방향 자속모터의 공극 유지 조건을 만족하는 최적의 회전체 형상을 선정할 수 있었다. 축방향 변위에 초점을 맞춰 회전체의 단면 이차 관성모멘트가 증가한 형상의 경우, 경방향 변형이 추가로 발생할 수 있으므로 재질 경량화 혹은 경방향 구조물을 추가하는 방안으로도 발전시킬 수 있었다. 이를 통하여 백 아이언과 마그넷의 이탈을 개선하고 공극을 유지하여 기구적/제어적 성능을 높인 회전자 모델을 축방향 자속모터에 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. |
| 원문(PDF) | 다운로드 |