영구 자석 모터는 코일을 감는 대신 긴 자석을 사용하는 브러시리스 전기 모터의 한 종류입니다.
이러한 종류의 모터는 Chevy Bolt[1], Chevy Volt 및 Tesla Product 3[2]에 사용할 수 있습니다. 다른 Tesla 버전에서는 기존 유도 모터를 사용합니다.[3] 사륜구동 Product 3 Tesla의 전륜 모터도 유도 모터입니다.
장권선형 자석 모터는 전기 자동차와 같은 고효율 응용 분야에서 유도 모터나 면권선형 모터보다 훨씬 우수합니다. 테슬라의 수석 모터 설계자는 이러한 긍정적인 측면에 대해 다음과 같이 언급했습니다. "장기 자석 장치는 자석으로부터의 사전 여자(pre-excitation)라는 이점을 가지고 있어 성능 향상을 가져온다는 것은 잘 알려져 있습니다. 유도 장치는 이상적인 자속 제어 기능을 제공하여 성능을 향상시킬 수 있습니다. 두 가지 모두 차량의 동력원으로 사용되는 가변 속도 1단 변속기에 적합합니다. 따라서 아시다시피, 저희 제품 3에는 장기 자석 장치가 탑재되어 있습니다. 전체적인 성능과 효율성을 고려할 때, 장기 자석 장치는 비용 절감 목표를 더 잘 달성했으며, 생산량과 효율성 향상에 집중하는 데에도 이상적이었습니다. 양적으로는 변동성이 모터의 잠재력을 좌우하며, 모터 가격, 생산량, 배터리 가격 사이의 절충점이 향후 어떤 기술을 사용할지 결정하는 요소입니다."
동기 모터의 자기 영역은 회전자에 네오디뮴-붕소-철, 사마륨-코발트 또는 페라이트로 만들어진 장자석을 사용하여 생성할 수 있습니다. 일부 모터에서는 이러한 자석이 회전자 표면에 접착제로 부착되어 자기장이 주변 공간을 가로질러 방사형으로 형성되도록 합니다. 다른 설계에서는 자석이 회전자 표면에 삽입되거나 바닥 바로 아래에 슬롯 형태로 삽입됩니다. 또 다른 형태의 장자석 모터는 방사형 슬롯에 원주 방향으로 배치된 자석을 사용하여 철극에 자속을 공급하고, 이 철극이 공기 흐름 공간에 방사형 자기장을 생성하는 방식입니다.
유성 모터의 동적 모델링
유성 기어 모터는 완벽하게 동기화되어 회전하는 일련의 기어로 구성되어 있어 스퍼 기어 모터보다 더 높은 출력 용량으로 토크를 전달할 수 있습니다. 유성 모터와 달리 스퍼 기어 모터는 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 낮은 토크 출력이 필요한 용도에 더 적합합니다. 이는 각 기어가 전체 부하를 감당하기 때문입니다. 다음은 두 종류의 기어 모터 간의 주요 차이점입니다.
유성 기어 시스템
유성 기어 변속기는 한 동력원에서 다른 동력원으로 토크를 전달하는 기어 메커니즘의 한 종류로, 일반적으로 회전 운동을 전달합니다. 또한, 이러한 유형의 기어 변속기는 내구성과 신뢰성을 검증하기 위해 동적 모델링이 필요합니다. 기존 연구에서는 유성 기어 변속기 분석을 위해 비결합 모델과 결합 모델을 모두 사용했습니다. 결합 모델은 축의 구조적 강성과 베어링 지지대의 강성을 모두 고려합니다. 일부 응용 분야에서는 유연한 유성 기어가 시스템의 동적 응답에 영향을 미칠 수 있습니다.
유성 기어 장치에서 원통 부분의 축 방향 끝면은 분리판에 대해 회전 가능합니다. 이 메커니즘은 윤활유를 유지하는 역할을 하며, 이물질이 유성 기어 시스템 내부로 유입되는 것을 방지합니다. 유성 모터의 회전 속도가 높은 경우 유성 기어 장치는 탁월한 선택입니다. 고품질 유성 기어 시스템은 기존 시스템보다 우수한 성능을 제공할 수 있습니다.
유성 기어 시스템은 관절로 서로 연결된 3개의 움직이는 링크로 구성된 복잡한 메커니즘입니다. 태양 기어는 입력 역할을 하고 유성 기어는 출력 역할을 합니다. 이들은 각 기어의 톱니 수에 따라 결정되는 비율로 축을 중심으로 회전합니다. 태양 기어는 24개의 톱니를 가지고 있으며, 유성 기어는 태양 기어의 4분의 3에 해당하는 톱니 수를 가지고 있습니다. 이러한 비율 덕분에 유성 모터는 매우 효율적입니다.
유성 기어 트레인
유성 모터 기어 트레인의 자유 진동 응답을 예측하기 위해서는 시스템에 대한 수학적 모델을 개발하는 것이 필수적입니다. 기존에는 정적 및 동적 모델을 사용하여 유성 모터 기어 트레인의 거동을 연구했습니다. 본 연구에서는 주요 설계 변수가 진동 응답에 미치는 영향을 조사하기 위해 동적 모델을 개발했습니다. 유성 기어 변속기의 주요 변수에는 구조 강성 및 맞물림 강성, 축 및 베어링 지지대의 질량과 위치가 포함됩니다.
유성 모터 기어 트레인은 여러 단계로 구성되어 다양한 입력 속도로 구동할 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 기어 트레인 설계는 부하를 여러 개의 유성 기어에 분산시켜 높은 토크를 전달할 수 있도록 합니다. 또한, 유성 기어 트레인은 작동 중에 동시에 맞물리는 여러 개의 톱니를 가지고 있어 효율과 전달 토크를 향상시킵니다. 이 외에도 유성 모터 기어 트레인의 장점은 많습니다. 이러한 모든 장점 덕분에 유성 모터 기어 트레인은 가장 널리 사용되는 유성 모터 유형 중 하나입니다.
유성 기어는 크기가 작아 열 방출이 탁월합니다. 고속 회전 및 지속적인 성능을 위해서는 윤활이 필수적이며, 윤활유는 소음과 진동을 줄이는 데에도 도움이 됩니다. 하지만 이러한 특성이 사용 환경에 적합하지 않다면 다른 종류의 기어를 선택할 수 있습니다. 반대로 고성능을 유지하고 싶다면 유성 모터 기어 트레인이 최적의 선택이 될 것입니다. 그렇다면 유성 모터 기어의 장점은 무엇일까요?
고정 캐리어 트레인 비율을 갖는 유성 기어 트레인
유성 기어 트레인은 다양한 기계에 널리 사용되는 변속기 유형입니다. 주요 장점으로는 높은 효율, 소형화, 큰 변속비, 그리고 우수한 출력 대 중량비를 들 수 있습니다. 이 기어 트레인은 스퍼 기어, 단일 헬리컬 기어, 그리고 헤링본 기어의 조합으로 구성됩니다. 헤링본 유성 기어는 축 방향 힘이 낮고 하중 지지력이 높아 중장비 및 대형 차량의 변속기에 주로 사용됩니다.
고정된 캐리어 기어비를 갖는 유성 기어 트레인을 사용하려면 제1 및 제2 유성 기어가 캐리어 위치에 있어야 합니다. 제1 유성 기어는 회전하여 그 톱니가 태양 기어와 맞물리도록 합니다. 그러나 제2 유성 기어는 회전할 수 없습니다. 태양 기어와 맞물릴 수 있도록 캐리어 위치에 있어야 합니다. 이는 높은 정밀도를 요구하므로 유성 기어 트레인은 일반적으로 여러 세트로 구성됩니다. 간단한 분석을 통해 이 설계를 단순화할 수 있습니다.
유성 기어 트레인은 3개의 구성 요소로 이루어져 있습니다. 외측 링 기어는 링 기어에 의해 지지됩니다. 각 기어는 서로 특정 각도로 배치되어 있습니다. 이를 통해 기어들은 일정한 속도로 회전하면서 동력을 전달할 수 있습니다. 이러한 설계는 자전거 및 기타 소형 차량에도 널리 사용됩니다. 유성 기어 트레인이 여러 단계로 구성될 경우, 여러 개의 링 기어가 공유될 수 있습니다. 고정된 링 기어는 연필깎이 메커니즘에도 사용됩니다. 유성 기어는 원통형 절삭날 형태로 확장되어 있습니다. 링 기어는 고정되어 있고 유성 기어들은 태양축을 중심으로 회전합니다. 이 설계에서 외측 링 기어의 유성 기어비는 -3/2가 됩니다.
나선각이 0인 유성 기어 트레인
유성 기어의 토크 분포는 비대칭적이며, 이는 니들 베어링의 하중 지지 능력을 크게 저하시켜 베어링 수명을 단축시킵니다. 이러한 현상이 기어 트레인에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해, 헬릭스 각도가 0도인 유성 기어의 하중 분포에 대한 두 가지 연구 결과를 살펴보겠습니다. 첫 번째 연구는 베어링 제조업체인 INA/FAG의 특수 프로그램을 사용하여 수행되었습니다. 빨간색 선은 헬릭스 각도가 0도인 기어의 니들 롤러를 따라 분포하는 하중을 나타내고, 녹색 선은 헬릭스 각도가 15도인 기어에서 동일한 하중 분포를 나타냅니다.
기어의 헬릭스 각도를 결정하는 또 다른 방법은 태양 기어와 유성 기어의 비율을 고려하는 것입니다. 일반적으로 태양 기어는 입력 측에 있고, 유성 기어는 출력 측에 있습니다. 태양 기어는 고정되어 있습니다. 두 기어는 시계 방향으로 45도 회전하는 링 기어와 맞물려 있습니다. 두 기어 모두 유성 기어를 지지하는 핀에 연결되어 있습니다. 아래 그림에서 유성 기어 트레인에 작용하는 접선 방향 및 축 방향 기어 맞물림력을 확인할 수 있습니다.
유성 기어 트레인의 동력 손실을 계산하는 또 다른 방법은 자동 변속기를 이용하는 것입니다. 자동 변속기는 동력 효율과 하중 용량 모두에서 균형 잡힌 성능을 제공합니다. 다소 복잡하지만, 이 방법은 유성 기어 트레인에서 나선 각도가 동력 손실에 미치는 영향을 보다 정확하게 분석할 수 있게 해줍니다. 유성 기어 트레인의 동력 손실을 줄이는 데 관심이 있다면 계속 읽어보세요!
스퍼 기어가 있는 유성 기어 트레인
유성 기어 세트는 평면 내에서 서로 반대 방향으로 움직이는 스퍼 기어를 사용하는 기계식 구동 시스템의 한 종류입니다. 스퍼 기어는 특별한 절삭이나 각도가 필요하지 않기 때문에 가장 기본적인 기어 유형 중 하나입니다. 대신, 스퍼 기어는 복잡한 톱니 형상을 사용하여 톱니가 맞물리는 위치를 결정합니다. 이는 결과적으로 스퍼 기어가 생성할 수 있는 동력, 토크 및 속도를 결정합니다.
스퍼 기어를 포함하는 2단 유성 기어 트레인은 가변 입력 속도로 작동할 수 있습니다. 이러한 구성을 위해 기어 트레인의 수학적 모델을 개발했습니다. 동적 거동 시뮬레이션은 비정상적인 효과를 보여주며, 결과는 실험 데이터와 잘 일치합니다. 스퍼 기어 대 스퍼 기어의 비율이 일정하지 않기 때문에 이를 디덴덤(dedendum)이라고 합니다.
스퍼 기어를 사용하는 유성 기어 트레인은 유성 기어 트레인의 한 종류입니다. 이 경우, 스퍼 기어는 내측 및 외측 톱니를 모두 가진 기어 사이에서 회전합니다. 스퍼 기어의 원주 방향 운동은 태양계 행성의 자전과 유사합니다. 유성 기어 트레인은 크게 네 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다. 유성 기어는 태양 기어 내부에 위치하여 회전하며 태양 기어에 동력을 전달합니다. 유성 기어는 출력축에 연결된 조인트 캐리어에 장착됩니다.
헬리컬 기어가 있는 유성 기어 트레인
나선형 톱니를 가진 유성 기어 트레인은 매우 강력한 변속 시스템으로, 높은 동력 밀도를 제공할 수 있습니다. 나선형 기어는 기존 웜 기어보다 효율적인 대안을 제공하여 효율성을 향상시킵니다. 이러한 유형의 변속 시스템은 시스템의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 그 이점은 동력 밀도 향상 그 이상입니다. 그렇다면 이 변속 시스템이 그토록 매력적인 이유는 무엇일까요? 이러한 유형의 변속 시스템을 설계할 때 고려해야 할 핵심 요소는 무엇일까요?
가장 기본적인 유성 기어열은 태양 기어, 유성 기어, 그리고 링 기어로 구성됩니다. 유성 기어의 개수는 다양하지만, 기본 구조는 유사합니다. 간단한 유성 기어열은 태양 기어가 캐리어 어셈블리를 구동하는 방식입니다. 유성 기어의 개수는 최소 2개에서 최대 6개까지 가능합니다. 유성 기어열은 질량 관성이 작고, 크기가 작으며 신뢰성이 높습니다.
유성 기어 트레인의 맞물림 위상 특성은 프로파일 설계에 있어 특히 중요합니다. 맞물림 위상차 및 치형 수정과 같은 다양한 매개변수를 심층적으로 연구해야만 유성 기어 트레인의 동적 특성을 완벽하게 이해할 수 있습니다. 이러한 요소들은 다른 요소들과 함께 헬리컬 기어의 성능을 결정합니다. 따라서 유성 기어 트레인을 효과적으로 설계하기 위해서는 맞물림 위상을 이해하는 것이 필수적입니다.
