내연기관 기술에 대한 심층 분석에 관심이 있다면 다양한 개념을 접할 준비가 되어 있어야 합니다. 자연흡기 엔진, 터보차저 엔진, 직분사, 간접분사, 직분사 및 간접분사 모두! 가솔린, 디젤, CNG, LPG, Atkinson 사이클, Miller 사이클, Budack 사이클, Diesel 및 Otto 사이클(Mazda Skyactiv-X 엔진 참조), 고정 지오메트리 터보, 가변 지오메트리 터보, 트윈 스크롤 터보, 가변 캠축 타이밍… 목록은 계속됩니다.
거의 자동으로 발생하는 질문은 '왜 내연기관 설계와 컨셉이 그렇게 많은가?'입니다. 대답은 간단합니다. 효율성 측면에서 그 어느 것도 충분하지 않기 때문입니다. 효율성을 향상시키기 위해 엔지니어들은 자동차 역사 전반에 걸쳐 많은 디자인을 도입했습니다. 이러한 다양한 디자인이 전기 모터에도 적용됩니까? e-모빌리티에는 몇 가지 유형의 모터가 있나요? 답은 크게 3가지 뿐입니다. 그들에 대해 알아 봅시다.
비동기 유도 전동기 - 간략한 역사 수업
비동기 유도 전동기는 새로운 것이 아닙니다. 그것은 두 명의 독립적인 연구원, 즉 유일한 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)와 갈릴레오 페라리스(Galileo Ferraris)에 의해 발명되었습니다. 이탈리아 발명가가 이 모터를 1885년에 처음 개발한 것으로 보이지만 니콜라 테슬라가 1888년에 처음으로 특허를 출원했습니다.
유도 전동기의 발명은 의심할 여지없이 전기를 활용하여 우리 삶에 전력을 공급하는 가장 큰 성과 중 하나입니다. 요즘에는 이 모터 유형의 채택이 너무 널리 퍼져서 모터 없이는 일상 생활을 상상하기가 매우 어렵습니다. 많은 전기 장치가 이러한 모터를 사용하며 대부분의 산업용 모터는 비동기 유도형입니다.
비동기 유도 전동기는 어떻게 작동합니까?
모든 전기 모터에는 두 가지 주요 부분이 있습니다. 정적인 부분을 고정자(Stator)라고 하고, 회전하는 부분을 회전자(Rotor)라고 합니다. 고정자부터 시작하겠습니다. 일반적으로 특정 형상으로 짜여진 슬롯과 구리 코일이 있는 강철 실린더입니다. 이 코일에는 전력 전자 장치의 DC(배터리에서 제공)로 변환된 3상 AC 전류가 공급됩니다. 이 전류는 고정자에 회전 자기장을 생성하고 해당 회전 자기장의 속도를 동기 속도라고 합니다.
본질적으로 이러한 유형의 모터가 작동하는 방식은 다음과 같습니다. AC 전압이 구리 코일(또는 권선)에 가해지고 결과적으로 회전 자기장이 발생하며, 이 자기장은 회전자에 전압을 유도하여 전류가 흐르게 합니다. 이러한 전류 흐름은 고정자의 자기장보다 뒤떨어지는 회전자에 자체 회전 자기장을 생성합니다. 로터를 움직이게 만드는 두 자기장 사이의 힘을 로렌츠 힘이라고 합니다. 그러면 로터의 움직임이 적절한 감소를 통해 자동차의 바퀴로 전달됩니다.
이 모터는 회전자와 고정자의 회전 자기장이 동기화되지 않기 때문에 비동기식이라고 불립니다. 유도 부분은 고정자에 의해 유도되는 회전 자기장, 전압 및 전류에서 발생합니다. 가속 페달을 밟으면 로터의 자기장이 고정자의 자기장보다 약간 뒤떨어집니다. 감속하고 모터가 발전기로 작동하면(회생 제동) 회전자의 회전 자기장이 고정자보다 앞서게 됩니다. 회전 자기장의 이러한 차이를 "슬립"이라고 하며 일반적으로 모터 설계에 따라 최대 5%에 이릅니다.
자동차 산업에 사용되는 3상 비동기 유도 전동기의 일반적인 효율은 약 90%입니다. 견고성, 단순성, 수명 및 이국적인 재료 요구 사항이 없기 때문에 이 모터는 거의 산업 공정에서만 사용됩니다. 또한 과부하 특성이 좋아 온디맨드 모터로 적합하기 때문에 AWD 전기차의 프론트 모터로 자주 사용됩니다.
비동기 유도 모터를 사용하는 자동차로는 Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S,3,XandYon 프론트 액슬 및 VW Group MEB 차량이 프론트 액슬에도 사용됩니다.
동기식 영구자석 모터
비동기식 유도 전동기와 동기식 영구 자석 모터의 근본적인 차이점은 회전자와 고정자의 회전 자기장이 생성되고 상호 작용하는 방식입니다. 동기식 영구 자석 모터에는 회전자의 영구 자석(따라서 모터 이름)에 의해 생성된 기본 회전 자기장이 있습니다. 이들 모터의 회전자와 고정자의 회전 자기장은 잠겨 있어 미끄러짐이 없습니다.
회전자에 있는 영구자석은 모터의 출력밀도를 높이고 효율을 높이는 핵심요소 중 하나이다. 증가된 전력 밀도는 적은 부피에서도 높은 전력을 의미하므로 영구 자석 모터가 PHEV에만 사용됩니다. 이러한 차량의 전기 모터는 기어박스에 내장되어 있으며 공간 제한이 있습니다.
영구자석은 희토류 재료로 만들어지며 중국이 대부분을 통제하고 있다. 채굴 과정의 윤리적 측면에 대한 의문이 있기 때문에 많은 제조업체에서는 모터에 이러한 재료의 사용을 줄이려고 노력하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 동기식 영구 자석 모터는 효율성의 왕입니다. 최대 94-95%에 도달할 수 있으며 자동차에 모터가 하나만 있는 경우 이것이 사용되는 모터 유형입니다.
영구자석 모터는 현대 아이오닉 5, 기아 EV6, 테슬라 모델 S, 3, 엑스 그리고 리어 액슬에 사용됩니다. VW 그룹 MEB 자동차는 리어 액슬, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT 및 Porsche Taycan에도 이 장치를 사용합니다.
전기적으로 여자되는 동기 모터
영구자석 동기 모터는 최고의 효율을 제공하지만 희토류 원소에 대한 의존도가 높아 우려가 됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 BMW, RenaultGroupe 및 Smart와 같은 제조업체는 희토류 자석에 의존하지 않는 동기식 모터인 하이브리드 모터 아키텍처로 전환했습니다.
이 기계들은 어떻게 작동하나요? 자속을 생성하기 위해 회전자에 영구 자석을 사용하는 대신 브러시와 슬립 링을 사용합니다. BMW에 따르면 이러한 종류의 모터는 최대 93%의 효율을 제공하며 이는 영구 자석 모터의 효율에 매우 가깝습니다. 개념은 유망해 보이지만 브러시가 포함된다는 것은 결국 교체가 필요하다는 것을 의미합니다. 이 모터 유형을 개발하는 제조업체가 서비스 수명이 충분히 긴 브러시를 선택하기를 바랍니다.
이 모터 디자인은 BMW iX3, iX 및 i4에 사용됩니다. 르노 메간E‑TECH; 그리고 스마트 EQ.
