지속 가능한 미래를 위한 희토류 없는 전기 모터 엔지니어링

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희토류란 무엇인가요?

희토류는 주기율표에서 유래한 원소입니다. 희토류는 스칸듐 및 이트륨과 함께 15개의 란탄족을 포함한 17개의 금속 원소 그룹입니다. 이름과는 달리 이 원소들은 실제로 희귀하지 않습니다. 풍부하게 존재하지만, 농축되어 있고 경제적으로 실행 가능한 매장지에서는 거의 발견되지 않습니다.

희토류 원소라고 불리지만 실제로 지각에서 희귀한 물질은 아닙니다. 무엇 이들을 “희귀”하게 만드는 것 의 난이도는 채굴하고, 분리하고, 사용 가능한 형태로 정제하는 것입니다. 추출 과정은 복잡하고 에너지 집약적이며 환경적으로도 까다롭습니다. 지난 수십 년 동안 중국은 이러한 정제 능력을 숙달하고 확장하여 전 세계 희토류 생산량의 70% 이상과 거의 모든 처리 능력을 지배할 수 있게 되었습니다. 이러한 우위를 바탕으로 중국은 가격 및 공급 안정성에 상당한 영향력을 행사하고 있으며, 효과적으로 전략적 독점 전 세계 전기 자동차부터 풍력 터빈, 가전제품에 이르기까지 다양한 산업에 영향을 미치고 있습니다.

출처: 미국 지질조사국, 광물 상품 요약, 2024년 1월

희토류가 중요한 이유는 무엇인가요?

고효율과 전력 밀도를 목표로 하는 대부분의 최신 전기 모터는 뛰어난 자기 강도 때문에 희토류 자석을 사용합니다. 하지만 최근 지정학적 긴장 그리고 정책 변화 국가들 사이에서 심각한 취약점이 드러났습니다. 공급망이 붕괴되면. 희토류 소재에 대한 의존도는 생산 지연의 위험을 초래할 뿐만 아니라 제조업체가 공급망을 재설계하거나 비슷한 성능을 제공할 수 있는 대체 자석을 조달하기 위해 분주하게 움직이면서 비용을 증가시킬 수 있습니다.

출처: 미국 지질조사국, 광물 상품 요약, 2024년 1월 /자료 출처: 미국 지질조사국 Eggert, R., Wadia, C., Anderson, C., Bauer, D., Fields, F., Meinert, L., & Taylor, P. (2016). 희토류: 시장 혼란, 혁신 및 글로벌 공급망. 환경 및 자원 연례 검토, 41(1), 199-222.

두 가지 중요한 희토류 재료의 가격이 상승했습니다. 네오디뮴 및 디스프로슘 – 의 변동성이 점점 더 커지고 있습니다. 독점화된 공급망으로 인해. 최근의 상황을 보면 이러한 불안정성으로 인해 제조업체가 생산되는 각 전기 모터의 수익 마진을 예측하기 어렵다는 것이 분명합니다. 이러한 불확실성은 특히 매달 대량으로 모터를 생산하는 기업에게 심각한 재정적 결과를 초래할 수 있습니다.

그렇다면 해결책은 무엇일까요?

희토류가 없는 자석을 사용하거나 모터 설계에서 자석을 완전히 제거해야 한다는 것은 분명합니다. 이 섹션에서는 희토류 물질에 의존하지 않는 대체 전기 모터를 설계하는 방법을 살펴봅니다.

이러한 설계를 살펴보기 전에 전기 모터의 기본 원리를 이해하는 것이 중요한데, 이 문제를 해결하려면 토크가 실제로 어디에서 발생하는지 이해하는 것부터 시작해야 하기 때문입니다. 동기식 전기 모터에는 토크의 두 가지 주요 원천이 있습니다: 상호 (자석) 토크 및 릴럭턴스 토크.

1. 상호 토크

모든 전기 모터의 중심에는 회전하는 전자기장 고정자에서 생성됩니다. 고정자의 적층 강철 코어와 조직화된 구리 권선은 전압 또는 전류 소스에 의해 전원이 공급되어 이 필드를 생성합니다.

공급이 다음과 같은 경우 DC왼쪽 이미지와 같이 이 설정으로 4극 고정 전자기장이 생성됩니다. 통해 자기 쌍극자 상호 작용로터의 영구 자석은 이 필드에 정렬하거나 “고정”할 수 있지만 필드와 자석이 모두 고정된 위치에 있기 때문에 연속 회전은 발생하지 않습니다.

공급이 다음에서 변경되는 경우 DC에서 AC로 (그리드 또는 3상 인버터에서) 전자기장이 시작됩니다. 회전. 고정자와 같은 극 번호(예: 애니메이션에 표시된 4개의 극)의 자석을 로터에 배치하면 로터의 자기장을 다음과 같이 만들 수 있습니다. 동기화 를 고정자의 회전 필드와 동기화하고 이 상호 작용은 토크.

오늘날의 전기 모터 기술에서, 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 자석희토류 원소를 함유한 자석은 일반적으로 높은 토크와 전력 밀도를 달성하는 데 사용됩니다.

전기 모터에서 이러한 자석의 성능을 평가하기 위한 레퍼런스 디자인을 살펴보겠습니다. A 4극, 1.2kW PMSM 이 연구를 위해 설계되었습니다. 이 자석을 사용하면 자기 상호 작용으로 인해 대략 다음과 같은 효과가 발생합니다. 11.18 Nm의 토크를 생성합니다. 설계된 모터의 경우.

희토류 자석을 없애고 싶습니다. 다음과 같이 희토류 물질을 포함하지 않는 몇 가지 대체 자석 유형이 있습니다. 페라이트, 알루미늄 니켈 코발트(AlNiCo)및 사마륨이 없는 복합 자석. 이러한 옵션은 더 저렴하고 쉽게 구할 수 있지만 자기 강도는 다음과 비교하여 상당히 약합니다. 네오디뮴 또는 디스프로슘 기반 자석을 사용합니다. 따라서 자체적으로 동일한 자석을 생성할 수 없습니다. 자속 밀도 또는 토크 수준 전기 모터에서.

희토류가 없는 자석은 왜 동일한 성능을 제공하지 못할까요?

전기 모터의 토크 방정식을 살펴보면 두 가지 핵심 요소가 눈에 띕니다. 플럭스 연결 로터 자석에 의해 생성되고 전류 를 측정합니다. 여기에 극의 수와 기타 상수를 곱하면 토크가 결정됩니다. 고정 전류 및 모터 설계의 경우 자석의 자속 연결만이 토크 성분에 직접적인 영향을 미칩니다.

자속 연결은 고정자 권선을 통과하는 총 자속을 나타내며, 고정자 권선을 통과하는 총 자속은 자기 강도 로터 재료의 자력, 종종 다음과 같이 설명됩니다. 잔류성. 리맨언스 값이 높을수록 자기장이 강해져 자속 연결이 커지고 토크가 더 많이 생성됩니다.

가장 일반적인 희토류 자석 등급 중 하나입니다, NdFeB N30는 약 1.125 T의 잔존량 자기장 세기가 0인 상태에서. 결과 자속 연결은 자석의 크기와 위치에 따라 달라집니다.

이제 동일한 설정을 사용하여 희토류가 없는 페라이트 자석와 같은 Y33H는 0.43 T의 잔존량. 이론적으로 이는 토크 출력이 대략 다음과 같다는 것을 의미합니다. 2.6배 더 낮습니다. 페라이트 자석의 경우. 그러나 실제로는 다음과 같은 이유로 이 차이가 더 낮을 수 있습니다. 자화 효과 의 영향을 받습니다. 페라이트 자석은 일반적으로 NdFeB 자석보다 자화에 더 취약하므로 실제 토크 비율은 다음과 같을 것으로 예상됩니다. 2.6보다 낮을 것으로 예상됩니다..

Y33H 자석을 사용하여 동일한 모터를 시뮬레이션하면 페라이트 버전이 다음과 같은 평균 토크를 생성하는 것을 관찰할 수 있습니다. 5.68 Nm약 의 절반 수준입니다..

따라서 이 분석은 단순히 NdFeB 자석을 페라이트 자석으로 교체한다고 해서 성능 문제가 해결되지 않는다는 것을 보여줍니다. 그렇기 때문에 우리는 두 번째 토크 성분을 활용해야 하는 이유입니다:

릴럭턴스 토크

대부분의 사람들은 작은 철제 바늘을 매달고 그 주위에 자석을 움직이면 바늘이 자석과 정렬되는 현상을 한 번쯤은 경험해 보셨을 것입니다. 이는 바늘이 자연스럽게 자석의 자기 저항이 가장 적은 경로 철심과 자기장 사이에서 바늘에 힘을 생성합니다. 이 효과를 릴럭턴스 토크에 따라 달라지며, 그 크기는 자기 릴럭턴스의 차이 사이의 직접(D) 및 구적법(Q) 구조의 축을 나타냅니다. 전기 모터의 경우:

여기서 두 개의 인접한 철 바늘이 고정자의 회전 전자기장을 따라가면서 대략 다음과 같은 결과를 낳습니다. 3 Nm의 릴럭턴스 토크. 그러나 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 이 토크는 상대적으로 낮고 시끄러운 로 인해 소음이 발생합니다. 달성하려면 더 높은 토크 및 낮은 소음보다 최적화된 자기 경로를 만들기 위해 로터 형상을 재설계해야 합니다.

To 토크 리플 감소 및 토크 출력 증가 같은 모터에서, 플럭스 배리어-또 다른 이름 에어 포켓-이 로터 내부에 도입됩니다.

이러한 에어 포켓은 자기 릴럭턴스 차이 의 d-축 및 q-축. 이론적으로는 더보기 또는 큰 에어 포켓은 두 축 사이의 자기 릴럭턴스 차이가 클수록 토크 기여도가 높아지므로 릴럭턴스 토크를 증가시킵니다. 그러나 플럭스 배리어가 많으면 배리어와 로터 외부 가장자리 사이의 제조 허용 오차가 좁아질 수 있습니다.

이것으로 새로운 로터 디자인모터는 다음과 같이 작동합니다. 낮은 토크 소음 대략 20% 더 많은 토크.

이제 다음 질문입니다: 두 토크 구성 요소를 결합하지 않는 이유는 무엇입니까? 결합하여 더 높은 성능을 달성하는 것은 어떨까요? 배치하여 직사각형 페라이트 자석 플럭스 장벽 내부에 자속 장벽을 형성 할 수 있습니다. 페라이트 보조 동기 릴럭턴스 모터(Fas-SynRM)-릴럭턴스와 자석 토크의 장점을 결합한 설계입니다.

이 구성을 사용하면 FaSynRM은 다음과 같은 평균 토크를 생성합니다. 7.8 Nm. 그러나 여전히 3.38 Nm 간격 NdFe 설계에서. 이 차이는 업계의 주요 병목 현상으로, 이 자석이 여전히 NdFe 설계와 동일한 성능을 달성할 수 없기 때문입니다.

이 시점에서 최적화가 필수적입니다. 사용 Ansys optiSLang을 사용하여 로터 형상을 다음과 같이 구체화할 수 있습니다. 11.18 Nm 의 토크를 고정자를 변경하지 않고도 얻을 수 있습니다. 실제로 사용자는 다음을 수행할 수 있습니다. 에서 기존 NdFe 로터 희토류가 없는 최적화된 로터로 동일한 성능을 유지합니다.

어떻게 Ansys 희토류가 없는 모터를 최적화하여 NdFe 자석과 동일한 성능을 달성할 수 있을까요?

이러한 모터는 최대 성능 잠재력에 도달하기 위해 세심하게 최적화해야 합니다. 자석 크기부터 로터의 아주 작은 두께 변화까지 모터 형상의 모든 측면을 정밀하게 선택해야 합니다. 이러한 세부 사항을 세밀하게 조정함으로써 릴럭턴스 토크 와 자석 토크 를 최대로 활용할 수 있어 희토류 재료에 의존하지 않고도 모터가 가능한 최고의 효율과 출력을 제공할 수 있습니다.

지금까지 결과와 시뮬레이션은 다음에서 수행되었습니다. Ansys 맥스웰범용, 고충실도 전자기 시뮬레이션 툴입니다. 그러나 Ansys는 전기 모터 분석을 위한 보다 전문화된 도구도 제공합니다. Motor-CAD. Motor-CAD는 다음을 제공합니다. 템플릿 기반 FEA 솔버 다양한 유형의 전기 모터에 맞게 조정되었습니다. 다음과 결합하면 optiSLang사용자 친화적 인 최적화 인터페이스를 사용하여 다음을 최적화하는 데 이상적인 솔루션이됩니다. Fas-SynRM 의 목표 토크를 달성하기 위해 11.18 Nm.

옵티스랭의 성능 다중 반복 를 실행하고, 결과를 수집하여 최적화 워크플로 u내부 알고리즘을 호출합니다. 이 도구는 이러한 데이터 세트를 기반으로 최적화된 전기 모터 설계 이 경우 지정된 성능 목표를 충족합니다, 3000rpm에서 11.18Nm.

출처: Ansys

최적화 후 FaSynRM 디자인 optiSLang 이상을 통해 500회 FEA 시뮬레이션 및 10,000회 분석 반복모터는 최소한 다음과 같은 성능을 제공하도록 개선되었습니다. 3000rpm에서 11.18Nm의 토크.

동일한 최적화 워크플로를 다음에도 적용할 수 있습니다. 효율성 극대화 또는 토크 리플 감소. 이 연구에서는 3000 rpm 과 동일한 출력 수준을 달성하도록 최적화되었습니다. NdFe 설계.

디자인에서 자석을 완전히 제거하면 어떻게 되나요?

자석이 없는 모터 유형의 경우, NdFeB 설계와 동일한 토크 밀도를 달성할 수 있는 옵션이 제한적입니다. 두 가지 주요 후보가 있습니다. 전기 여기 동기 모터(EESM) 및 인덕션 모터(IM). 이 블로그에서는 EESM 이 모터 유형의 잠재적 성장을 강조합니다.

인덕션 모터는 상대적으로 저렴하고 오랜 제조 역사를 통해 지원되지만, NdFe 설계의 로터를 변경하지 않고는 직접 대체할 수 없습니다. 외경 또는 축 길이 를 초과할 수 없습니다. 이 제한은 인덕션 모터의 경우 로렌츠 힘 토크를 발생시키는데, 이 토크는 일반적으로 동일한 토크를 얻기에는 충분하지 않습니다. 토크 및 전력 밀도 동기식 모터로. (N. 하셈니아와 B. 아사이, “전기 자동차의 다양한 전기 모터 사용에 대한 비교 연구”, “전기 자동차의 다양한 전기 모터 사용에 대한 비교 연구”. 2008 제18회 국제 전기 기계 컨퍼런스, 포르투갈 빌라모우라, 2008, 1-5쪽, 도이: 10.1109/ICELMACH.2008.4800157.)

EESM은 다음과 유사한 방식으로 작동합니다. PMSM. 주요 차이점은 EESM에서는 고정자의 회전 자기장과 정렬 토크를 생성하는 외부 여기 소스가 회전자에 자기장을 생성한다는 것입니다. 이 비교를 위해 고정자 치수는 일정하게 유지됩니다. 로터 직접 교체 모터 유형 간 교체.

EESM에서 전자기장은 다음을 사용하여 생성됩니다. 한 쌍의 브러시와 슬립 링을 사용하여 전자기장을 생성합니다. 샤프트에 장착되어 전류를 공급하는 로터 극 주위의 코일 감기. EESM의 로터 토폴로지는 다음을 포함해야 하므로 PMSM의 토폴로지와는 상당히 다릅니다. 슬롯을 포함해야 하기 때문에 감긴 코일. 두 가지 중요한 설계 요소는 턴 수 제조 공차를 준수하면서 로터 슬롯에 맞출 수 있는 회전 수와 최대 전류 모터 과열이나 손상 없이 이 코일에 공급할 수 있는 최대 전류입니다.

다음을 사용하여 모터 CAD 소프트웨어를 사용하면 이 모터 유형을 쉽게 설계하고 실험 설정을 준비할 수 있습니다. 이 도구에는 사용자가 다음을 생성하는 데 도움이 되는 고유한 기능이 포함되어 있습니다. 로터 코일 설계 더 빠르고 효율적으로

또한 내장 FEA 솔버고정자와 회전자 모두의 각 권선을 다른 방식으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 냉각 방법 에어 팬, 워터 재킷, 오일 냉각 등 다양한 냉각 방식을 선택할 수 있습니다. 이를 통해 다음과 같은 경쟁력을 갖추도록 설계를 평가하고 개선할 수 있습니다. NdFe PMSM 시스템.

의 주요 차이점은 EESM 및 PMSM 의 존재 여부는 브러시 및 링 에 있습니다. 이러한 구성 요소는 브러시와 링 사이의 물리적 접촉을 통해 로터 권선에 직류를 전달합니다. 두 개의 링(양극과 음극)이 샤프트에 장착되어 있고, 두 개의 브러시(경우에 따라 신뢰성 향상을 위해 그 이상)가 이 링과 접촉합니다. 브러시는 마찰을 최소화하고 부드러운 접촉을 유지하도록 설계되었으며 내구성을 높이기 위해 탄소와 같은 소재를 사용하지만 이러한 부품은 여전히 주기적인 유지보수가 필요합니다. 일반적으로 10년마다, 최신 브러시 구성의 경우 최대 20년마다 유지보수가 필요하지만 시간이 지남에 따라 마모가 발생하는 부품으로 남아 있습니다.

출처: 무니르 아카데미

이러한 한계를 극복하기 위해 이제 새로운 기술을 통해 다음을 수행할 수 있습니다. 브러시리스 DC 여기 로터 권선의 전자기 성능 조사(H. Chen, J. Tang, Y. Liu, B. Jiang 및 L. Boscaglia, “장거리 중장비 전기 자동차를 위한 브러시리스 전기 여기 동기 기계의 전자기 성능 조사”, in 운송 전기화에 관한 IEEE 트랜잭션, 11권 1호, 225-235쪽, 2025년 2월). 이 접근 방식은 제조를 단순화하고 신뢰성을 향상시키지만 대규모 생산 및 장기 작동에 적용하기 위해서는 여전히 추가 개발이 필요합니다. 애플리케이션에 따라 수명이 연장된 최신 브러시 및 링 시스템은 모터 효율을 유지하기 위한 적절한 최적화와 결합할 때 여전히 더 실용적인 옵션이 될 수 있습니다.

비용 비교

세 가지 디자인 모두에 동일한 고정자, 강철 및 권선 재료가 사용되므로 비용은 동일하게 유지됩니다. 로터 치수는 동일하지만 지오메트리의 작은 변화로 인해 다음에서 약간의 차이가 발생합니다. 로터 라미네이션 비용에 약간의 차이가 발생합니다.

오늘 기준, N30 자석 대략적인 비용 킬로그램당 60달러동안 Y33 페라이트 자석 비용 약 킬로그램당 1달러-대략적으로 만들기 60배 더 저렴합니다. 비록 FaSynRM 설계는 더 큰 자석 부피를 사용하지만 총 자석 비용은 NdFe 설계보다 훨씬 낮습니다. EESM에서는 로터 와인딩에 AWG 16이 사용됩니다. 가격은 약 킬로그램당 16달러.

계산할 때 활성 재료 비용에 따르면 NdFe 자석이 다음과 같은 기여를 하는 것으로 나타났습니다. 30 퍼센트 총 가격의 PMSM. 반면, 페라이트 자석은 비용이 0.64 USD합계는 다음과 같습니다. FaSynRM 모터 비용 약 68.19 USD이는 33% 더 저렴 보다 33% 저렴합니다. The EESM는 추가 로터 권선으로 인해 FaSynRM보다 약간 더 비싸지만 여전히 약 20% 더 저렴합니다. NdFe 모터보다 20% 저렴합니다.

이 비용 분석은 희토류 자석과 관련된 공급망 문제를 해결하는 것 외에도 이러한 대체 설계가 다음과 같은 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다. 생산 비용을 크게 절감합니다.훨씬 더 많은 대량 생산에 적합한 예산 친화적. 이러한 모든 개선 사항은 다음과 같이 간단하게 달성할 수 있습니다. 로터 교체 기존 모터의 로터를 희토류 없는 설계 올바른 최적화를 통해.

결론

위에서 설명한 시뮬레이션과 설계를 통해 다음과 같은 사실이 분명해졌습니다. NdFe 자석 로 대체할 수 있습니다. 페라이트 자석 를 사용하여 완전히 제거하거나 감은 코일 로터에 감을 수 있습니다. 그러나 이를 달성하려면 성능 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록 신중하고 광범위한 최적화 프로세스가 필요합니다. 바로 이 프로세스를 안내하고 다음과 같은 지원을 통해 고객을 지원할 수 있습니다. 프로토타입 및 대량 생산 비용 절감.

희토류 모터 설계 교체를 고려 중인 경우 – 다음과 같은 경우 전기 자동차, 펌프, 팬 또는 산업용 애플리케이션 등 – 언제든지 문의해 주세요. 저희가 제공해 드릴 수 있는 전자기, 열, 기계 설계를 완전히 최적화할 수 있습니다. 요구 사항에 맞게 맞춤 제작되어 기존 모터에서 원활하게 전환할 수 있습니다. 이러한 방식으로 다음을 수행할 수 있습니다. 모터당 비용 절감 달성하면서 더 높은 효율성과 성능.

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