축 방향 플럭스: 드라이브 샤프트를 삭제할 모터 뒤에 숨겨진 물리학

Tesla Model S Plaid의 후드를 열면 놀라운 엔지니어링을 발견할 수 있습니다. 그러나 그것은 여전히 ​​구리와 강철로 이루어진 무거운 원통형 통인 모터처럼 보입니다. 이것은 Radial Flux 모터이며, 지금까지 전체 EV 혁명에 동력을 제공했습니다.

하지만 메르세데스-벤츠 비전 원-일레븐 컨셉을 보면 모터가 사라졌다. 아니면 오히려 바퀴 속으로 사라졌습니다.

이것이 Axial Flux 기술의 약속입니다. 그것은 단지 더 나은 모터가 아닙니다. 자동차에서 구동축, 차동 장치 및 차축을 영원히 삭제할 수 있는 폼 팩터 변경입니다.

물리학: 방사형 대 축형

이것이 왜 중요한지 이해하려면 물리학 101로 돌아가야 합니다. 토크 = 힘 × 반경

방사형 플럭스(표준)

표준 모터(Radial Flux)에서는 자석이 고정 코일(고정자) 내부에서 회전합니다. 자기력은 축에 수직으로 작용하여 축을 밀어냅니다.

• 제한 사항: 더 많은 토크를 얻으려면 더 긴 모터(더 많은 자석) 또는 더 넓은 모터(더 많은 지렛대)가 필요합니다. 그러나 실린더 끝에 있는 구리 권선(끝 권선)은 열을 발생시키는 역할만 합니다. 그들은 “죽은 무게”입니다.
• 열 트랩: 구리 코일은 철심 내부 깊숙이 묻혀 있습니다. 열을 내보내려면 외부 기능의 워터 재킷에 닿기 전에 강철과 단열재 층을 통과해야 합니다.

축방향 플럭스(팬케이크)

Axial Flux 모터에서 로터는 디스크이고 고정자는 그 옆에 있는 디스크입니다. 자속은 코일을 끼우면서 축과 평행하게 흐릅니다.

• 지렛대 활용법: 모터가 팬케이크와 같은 평평한 디스크이기 때문에 활성 자석이 중앙에서 더 멀리 밀려납니다. Torque = Force × Radius을 기억하시나요? 힘을 디스크의 바깥쪽 가장자리로 이동하면 무게를 추가하지 않고도 엄청난 기계적 지렛대를 얻을 수 있습니다.
• 데드 구리 없음: 코일은 단순한 평면 루프입니다. 거의 100%의 구리가 토크에 기여합니다.

제조업의 악몽

Axial Flux가 더 좋다면 왜 모두가 그것을 사용하지 않는 걸까요? 왜냐하면 하나를 만드는 것은 악몽이기 때문입니다.

표준 방사형 모터에서는 회전자와 고정자 사이의 간격이 1밀리미터만 벗어나면 약간 비효율적으로 작동합니다. 축방향 자속 모터에서 두 자기 디스크 사이의 인력은 엄청납니다. 즉, 두 자기 디스크를 서로 부딪히게 만드는 엄청난 압력입니다.

• 에어 갭: 제조업체는 막대한 자기 하중 하에서 구부러지는 두 개의 회전 디스크 사이에 밀리미터 미만의 에어 갭을 유지해야 합니다.
• 베어링 하중: 축 방향 힘으로 인해 표준 베어링이 파손됩니다. 면이 닿지 않도록 하려면 거대하고 무거운 스러스트 베어링이 필요하며, 이로 인해 무게 절감이 소모됩니다.

YASA 혁신: “요크 없는” 냉각

축방향 자속 모터는 새로운 것이 아닙니다. 이론상으로는 한 세기 동안 존재해 왔습니다. 하지만 열이라는 치명적인 결함이 있었습니다. 두 개의 자기 디스크를 함께 끼워 넣으면 압력솥이 만들어집니다. 모터를 파괴하지 않고 “팬케이크”의 중앙을 식힐 방법이 없었습니다.

Mercedes-Benz가 옥스포드 대학에서 분사한 YASA(Yokeless And Segmented Armature)를 만나보세요.

그들의 획기적인 발전은 “요크리스(Yokeless)” 고정자였습니다.

1. 3D 오일 채널: 단순히 외부에 오일을 뿌리는 대신 Yasa는 고정자 코일의 중앙을 통해 냉각 오일을 펌핑합니다.
2. 유전체 차이: 구리와 직접 접촉하여 흐르는 유전체(비전도성) 오일을 사용합니다. 이는 단지 사건을 냉각시키는 것이 아닙니다. 그것은 와이어 자체를 냉각시킵니다.
3. 결과: 무게 **23kg(50lbs)**이지만 480HP를 생산하는 모터.
   • 비교: 해당 전력을 갖춘 표준 EV 모터의 무게는 거의 200파운드입니다.

재료 과학: 비밀 가루

표준 모터는 자기를 유도하기 위해 적층 강판(실리콘강)을 사용합니다. Yasa는 **연자성 복합재(SMC)**를 사용합니다.

• 무엇입니까?: 시트 대신 절연 세라믹 층에 코팅된 철 분말 알갱이를 사용하여 3D 형태로 압착합니다.
• 물리학:
  • 와전류: 단단한 철에서는 자기장이 변하면 열을 발생시키는 악성 전류(와전류)가 생성됩니다. SMC에서는 모든 단일 입자 주위의 절연체가 이러한 전류를 차단합니다.
  • 3D 플럭스: 적층 강철은 시트를 따라 2D 자성을 유도합니다. SMC는 자성이 3D로 흐르도록 하여 자석에서 더 많은 토크를 짜내는 복잡한 “클로 폴” 설계를 가능하게 합니다.

중요한 이유: “스프렁 무게” 전쟁

자동차 디자인의 성배는 In-Wheel Motor입니다. 모터를 휠 안에 넣을 수 있다면 변속기, 구동축, 차축, 차동 장치를 삭제할 수 있습니다. 완전히 평평한 자동차, 즉 무한한 실내 공간을 갖춘 진정한 “스케이트보드”를 얻게 됩니다.

문제: “스프링 무게.”

• 정의됨: 서스펜션(바퀴, 타이어, 브레이크)이 지지하지 않는 무게입니다.
• 물리학: F = ma. 무거운 바퀴가 부딪힐 때 엄청난 상승 추진력을 얻습니다. 서스펜션 스프링은 타이어를 도로에 유지하기 위해 그 추진력에 맞서 싸워야 합니다.
  • 무거운 바퀴: 부딪힘 -> 공중으로 날아감 -> 타이어 접촉 상실 -> 충돌.
  • 가벼운 휠: 충격에 부딪힘 -> 빠르게 위로 이동 -> 서스펜션이 다시 아래로 밀림 -> 타이어가 그립 상태를 유지합니다.

축방향 플럭스 솔루션: Yasa의 모터는 엄청나게 가볍기 때문에(브레이크 로터보다 작음) 고성능 휠 드라이브를 가능하게 하는 유일한 기술입니다.

• 벡터링: 4개의 독립 모터를 사용하여 즉시 벡터 토크를 생성할 수 있습니다. 컴퓨터는 왼쪽 바퀴를 뒤로, 오른쪽 바퀴를 앞으로 회전시켜 차를 한 푼도 회전시킬 수 있습니다(탱크 턴).

미래: 메르세데스 AMG.EA

Mercedes는 과학 프로젝트를 위해 Yasa를 구입하지 않았습니다. 그들은 다가오는 AMG.EA 플랫폼을 위해 그것을 구입했습니다. 전기차 시장에 분기점이 다가오고 있다.

• 경제형 자동차: 저렴하고 무거운 Radial Flux 모터를 계속 사용합니다.
• 성능/럭셔리: Axial Flux로 전환됩니다.

4개의 독립적인 바퀴로 탱크 회전을 하는 차세대 AMG 전기 슈퍼카나 후드 높이가 0인 상태에서 순항하는 Vision One-Eleven을 볼 때 기억하십시오. 그것은 마법이 아닙니다. 마침내 시원함을 유지하는 방법을 알아낸 것은 단지 팬케이크 모터일 뿐입니다.

출처 (2)

• yasa.com YASA Technology
• mercedes-benz.com Mercedes-Benz Vision One-Eleven