현재 중국 내에서는 플랫 와이어 모터에 대한 관심이 높아지고 있으나, 실제 응용은 상대적으로 적은 편입니다. 이는 신에너지 시장의 발전 기간이 짧고, 주요 시장 점유율이 소형 승용차 시장에 집중되어 있기 때문입니다. 해외에서는 성숙된 플랫 와이어 모터 제품들이 신에너지 차량에 사용되고 있으며, 특히 일본과 유럽, 미국 기업들에서 많이 활용되고 있습니다. 토요타(Toyota)와 제너럴 모터스(GENERAL Motors) 역시 플랫 와이어 모터를 사용하고 있습니다. 대표적인 사례로는 쉐보레 볼트(Chevrolet VOLT) (레미 모터, Remy Motor)와 도요타 프리우스(Toyota Prius) (덴소, Denso)가 있으며, 두 제품 모두 오일쿨링 솔루션을 채택하고 있습니다. 레미(Remy), Dso, 히타치(Hitachi) 등의 해외 공급업체 외에도, 중국 내에서는 화유 전기(Huayu Electric)와 송정 모터(Songzheng Motor)가 주요 안정적인 공급업체로 자리매김하고 있으며, 향후 생산이 개시될 포더 모터(Founder Motor)도 주목받고 있습니다.
구동 모터는 주로 스테이터 부품, 회전자 어셈블리, 엔드 커버 및 보조 표준 부품으로 구성되며, 스테이터 권선에는 코어, 구리선 권선, 절연재료 등이 포함됩니다.
평면 와이어 모터는 말 그대로 스테이터 권선에 평면 구리선을 사용하는데, 먼저 권선을 빗살 모양으로 만들어 스테이터 슬롯에 삽입한 후 빗살 끝부분을 다른 쪽에서 용접합니다.
평면 와이어 모터의 장점
장점 1: 동일한 출력에서 부피가 작고 소재가 적으며 비용이 저렴하거나, 또는 동일한 부피일 경우 슬롯 충전율이 증가하여 전력 밀도를 높일 수 있습니다. 원형 선재를 평각선으로 바꾸면 공간이 동일하다는 전제 하에, 평각선 모터는 이론적으로 슬롯 충전율 약 70%를 달성할 수 있으며, 채워진 구리를 20~30% 증가시켜 보다 강력한 자기장 세기를 생성할 수 있는데, 이는 어느 정도 출력을 20~30% 증가시키는 것과 같습니다.
장점 2: 우수한 온도 성능. 내부 간극이 작아지면 평선과 평선 간 접촉 면적이 커져 발열 및 열전도 성능이 향상됩니다. 또한 코일 권선과 코어 슬롯(Core slot)의 접촉이 우수하여 열전도가 더 잘되고, 모터는 발열과 온도에 매우 민감하므로 발열 성능이 개선되면 전체 성능이 향상됩니다. 온도장 시뮬레이션을 통해 동일 설계 조건에서 평구리선 모터 권선의 온도 상승이 둥근 구리선 모터에 비해 10% 낮은 것으로 분석되었습니다.
장점 3: 전자기 소음 감소. 평선 모터 와이어는 응력과 강성이 커서 아머처의 강성이 우수하여 아머처 소음을 억제할 수 있습니다. 상대적으로 작은 슬롯 크기를 적용할 수 있어 토크 리플(Torque ripple)을 효과적으로 줄이고, 모터의 전자기 소음을 추가적으로 감소시킬 수 있습니다.
장점 4: 끝부분이 짧아서 구리를 절약하고 효율을 향상시킵니다. 전통적인 둥근 구리선 모터는 제조 공정상의 문제로 인해 일반적으로 끝부분이 상대적으로 길게 설계되는데, 그렇지 않으면 공정 중에 구리선이 손상되기 쉽습니다. 평평한 구리선 모터의 경우, 선재가 경질이기 때문에 가공 시 끝부분을 작게 만들 수 있으며, 둥근 구리선 모터에 비해 끝부분 크기를 20% 줄일 수 있고, 이로 인해 공간을 보다 절약할 수 있어 시스템 부피를 축소시켜 소형화 및 경량화를 실현할 수 있습니다.
장점 5: 평평한 구리선 모터의 고효율 지점이 반드시 둥근 구리선 모터보다 훨씬 높지는 않을 수 있으나, 고효율 영역을 보다 넓힐 수 있습니다.
평평한 구리선 모터의 단점
단점 1: 고속 운전 시 표피 효과가 발생함. 신에너지차량의 경우 고출력 밀도 요구사항으로 인해 고속화가 요구되며, 과거에는 10,000rpm 또는 12,000rpm 수준이었으나 현재는 16,000rpm 또는 20,000rpm 방향으로 발전하고 있음. 이러한 문제는 모터 설계 과정에서 해결해야 할 부분이며, 이는 단점으로 작용함.
단점 2: 구리선 요구사항이 높음. 라운드 와이어 모터용 구리선은 국내 제조사가 다수 있으며 품질도 우수함. 그러나 플랫 와이어 모터를 제작할 수 있는 제조사는 많지 않으며, 요구 사항이 상대적으로 높아 소재 문제 해결을 위해 협업이 필요함.
단점 3: 플랫 와이어 제작 공정이 복잡하며, 장비 정밀도에 대한 요구가 높고 초기 투자 비용이 큼. 만약 정밀도가 낮을 경우 제품의 신뢰성과 일관성이 상대적으로 저하됨. 자동차 업체들은 또한 품질의 신뢰성과 안정성을 우려함.
단점 4: 일관성 있는 설계가 어렵습니다. 모터의 비용을 절감하려면 일관성 있는 설계를 하는 것이 좋지만, 현재 평면선 모터는 원형선 모터만큼 일관성 있는 설계 측면에서 우수하지 않습니다.
단점 5: 특허 장벽이 너무 많습니다. 현재 평면선 모터 관련 특허는 주로 유럽, 미국 및 일본 기업에 집중되어 있으며, 중국 기업의 특허 보유는 상대적으로 적습니다. 당사는 특허 포트폴리오를 보유하고 있으나 만족스러운 수준은 아닙니다.
단점 6: 평평한 전선의 성형 요구 사항이 높고 가공이 어렵습니다. 구리선은 일정한 탄성을 가지므로 설계 시 변형 여유치를 반드시 고려해야 합니다.
단점 7: 절연 코팅이 건조 후 수축 변형이 발생합니다. 원형선일 경우 수축이 보다 균일하게 일어나지만, 평평한 전선은 손상되기 쉬워 실제 가공 시 평평한 전선의 수율이 원형선보다 현저히 낮습니다.
평면선 모터의 제조 공정
카드 발급 모터의 스테이터 제조 공정은 와이어 성형과 종이 성형 및 종이 삽입으로 이루어져 있으며, 이 두 공정은 동시에 진행됩니다. 이후 스테이터 삽입 공정에 들어가고, 와이어 비틀기 및 비틀기 완료 후 용접 공정을 수행합니다. 용접이 완료되면 모터의 기본적인 스테이터 공정이 완료되고, 그 후 코팅 공정을 진행한 다음 성능 테스트 및 검증을 수행합니다. 이것이 기본 공정이며, 중간에는 다수의 세부 공정이 포함됩니다.
플랫 와이어 모터의 제조 공정: 슬롯 페이퍼 제작, 카드 발급, 링 절연 처리, 고정 엔드 링 용접, 스타 조인트
플랫 와이어 모터의 적용 현황
장기적으로 소형화, 고속화가 신에너지 자동차 모터의 주요 발전 추세가 될 것이며, 소형화는 모터의 전력 밀도가 크게 향상되어야 한다는 것을 의미합니다. 기술 요구사항 측면에서 "계획 수립 시 더 중대한 선택과 더 심각한 결과"라는 관점은 신에너지 자동차 구동 모터의 최대 전력 밀도가 4kW/kg에 도달해야 한다고 새롭게 제시하고 있으며, 현재 이 수치는 단지 3.2~3.3kW/kg에 불과합니다.
플랫 와이어링 모터는 Chevrolet Volt 2, Nissan 전기자동차, Toyota의 4세대 Prius 등 해외 제조사에서 이미 성공적으로 적용한 바 있으며, 이는 신에너지 자동차 모터 발전의 필연적인 추세입니다. BYD, SAIC, 베이징, 정밀 신에너지 진입 제조사 및 모터 제조 기업들도 이미 관련 연구를 착수한 상태입니다.
2020년 이전에는 평선 모터가 원형 모터를 대체하는 효과가 아직 충분히 두드러지지 않았다. 소형화된 평선 모터의 장점 덕분에 하이브리드 모델, 특히 플러그인 모델에서 대규모 적용이 우선시되고 있다. 그러나 국내 정책과 시장 요인으로 인해 플러그인 모델이 차지하는 비중은 상대적으로 낮은 수준이다. 순수 전기 분야에서는 SAIC Roewe ERX5만이 평선 모터를 장착하고 있으며 적용 사례가 적다.
제3세대 일반 평선 모터의 개발 과정은 우리에게 많은 영감을 주었다
1세대 일반 평선 모터
Chevrolet Voltec, 4ET50 드라이브 시스템(Chevrolet Voltec 4ET50-2011)은 듀얼 모터 아키텍처 시스템이다. 모터 B는 출력 110kW, 토크 370Nm, 회전 속도 9500rpm, 슬롯 비율 12극 72 슬롯인 평선 핀 모터이다.
해당 모터는 축 방향 플러그 라인의 핀형 권선 기술, 즉 단일 핀형 권선 방식을 채택하고 있습니다. 이 핀형 권선 방식은 슬롯 내 권선 배열을 매우 깔끔하게 만들어 슬롯 채움률을 크게 향상시키며, 동시에 권선 끝부분의 조립성을 개선할 수 있습니다. 이러한 두 가지 개선 사항의 최종 효과는 DC 저항을 30~40%까지 낮추는 것입니다.
비록 핀형 모터가 DC 저항을 줄일 수 있지만, 고주파 운전 시 권선에서 고주파 와전류 전류가 유도되기 쉬우며, 이로 인해 피부 효과가 발생할 수 있습니다.
GM은 볼텍(Voltec) 모델을 사용하여 모터 작동 지점의 속도 통계를 계산하였으며, 도심 주행 모드인 Urban2와 고속 주행 모드인 US06 조건에서 모터 회전 속도가 기본적으로 6000rpm 이하, 최대치가 8000rpm을 넘지 않는다는 것을 확인하였습니다. 즉, 평평한 전선의 저항이 낮은 장점을 충분히 발휘할 수 있다는 의미입니다. 이러한 측면에서 평선 모터는 중저속 응용 분야에 더욱 적합하다고 볼 수 있습니다.
라운드 와이어 권선의 단부 도장이 끝난 후에는 견고한 일체형 구조가 되어 쿨링 오일이 내부로 침투하기 어렵습니다. 중간층 도체에서 발생하는 열로 인해 권선 내부에 열섬이 형성되기 쉽습니다. 4ET50 모터는 단부 오일 주입 냉각 기술을 채택하고 있는데, 평와이어 단부 도체 사이에 간극이 크기 때문에 노즐을 통해 오일이 직접 평와이어 권선 단부로 침투하여 각 도체의 열을 빼앗아갑니다. 평와이어와 단부 오일 냉각의 조합은 발열 해소 능력을 크게 향상시키고 파워 밀도를 개선할 수 있습니다.
2세대 일반 평와이어 모터
스파크는 2014년에 출시되었으며, 주 구동 모터는 4,500rpm의 저속에서 105kW의 출력을 제공합니다. 적용된 기술 조합은 다음과 같습니다: 축 방향 삽입 평와이어 + 더블 V 토크 구조 + 오일 주입 냉각 기술.
모터에 대한 특수 작업은 디트로이트 교외 지역인 위크햄 소재 GM 연구소에서 진행되었으며, 대량 생산은 메릴랜드주 볼티모어에서 이루어졌다.
순수 전기/확장형 하이브리드 모터의 작동 시간은 풀 하이브리드/플러그인 하이브리드 모터보다 훨씬 길며, 토크와 출력 요구 사항 역시 더 높다. 추가 범위 하이브리드는 일반적으로 파워 션트 구동 구조를 선택하며, B 모터가 주 구동 모터이다.
쉐보레 Walker의 구동 시스템은 모두 B 모터를 이용한 추진 방식이므로, B 모터는 가속 및 구동 요구 조건을 충족해야 한다. 초기 제품에는 핀형 영구 자석 B 모터와 집중 권선 영구 자석 A 모터가 설계되었다. 집중 권선 방식 선택은 주로 공간 제약 때문이었다.
그러나 2세대 볼트 차량의 아키텍처 구동 요구사항은 A/B 모터로 분할됩니다. 엔드-B 모터의 크기는 상당히 축소되었습니다. A 모터의 경우 토크 요구사항이 낮기 때문에 페라이트 모터가 설계되었습니다.
또한 순수 전기차량은 일반적으로 단일 모터 구동 시스템을 사용하므로 차량 가속 및 구동 요구를 충족시키기 위해 구동 모터는 대용량 경향을 보입니다. GM의 순수 전기 쉐보레 스파크 모터는 저속 IPM과 작은 감속비를 선택했습니다.
표준 원형선 권선 방식을 기준 제어로 사용할 경우 볼텍(Voltec)에서는 원형선 저항이 평선 저항의 1.44배인 반면, 스파크(Spark)에서는 원형선 저항이 평선 저항의 1.56배입니다. 이는 스파크의 평선 저항이 훨씬 급격히 감소한다는 의미입니다. 프로토콜 파라미터 자체 외에도 이러한 발전은 평선 공정의 성숙화에서 비롯된 혜택도 포함됩니다.
스파크 모터에서 브러시 카드의 성형 및 변형은 CNC 정밀 제어 + 금형 성형을 통해 이루어집니다. 성형 과정에서 서보 이동 거리뿐만 아니라 실시간 피드백 루프도 닫히게 됩니다. 이러한 기술적 수단을 통해 감기 형성의 정확성을 보장하고 감기 코일의 응력을 제어하여 각 감기 코일의 품질이 완전히 동일하도록 할 수 있습니다.
3세대 일반 평면선 모터
2017년에 GM은 최대 토크 360Nm, 최대 출력 150kW, 최대 속도 8810rpm, 모터의 최대 전류 400 Arms를 갖춘 체보레 블롯(Chevrolet Blot)을 출시했습니다.
감속기 감속비가 증가하면서 모터 속도가 약 2배 증가합니다. 속도가 증가하면 평면선 모터 도체의 피부 효과가 고속에서 증가하여 교류 저항이 증가하게 됩니다.
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