모터 효율을 저하시키는 요인은 무엇입니까?

모터는 현대 자동차 시스템의 핵심 전력 구성요소이며, 모터의 효율성은 차량 성능, 에너지 소비 및 서비스 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 을 위한자동차 모터EV 트랙션 모터, 하이브리드 파워트레인 모터, 보조 모터 등 효율이 낮으면 EV 주행 거리가 줄어들고 HEV 연료 소비가 증가하며 마모 가속화로 인해 장기 유지 관리 비용이 증가합니다.

모터 비효율성은 주로 고정자 구리 손실, 회전자 구리 손실, 표유 손실, 철 손실, 기계적 손실 등 5가지 주요 손실에서 발생합니다. 이러한 손실은 작동 시 상호 의존적이며 엄격한 산업 효율성 표준을 충족하도록 모터를 최적화하려면 그 원인을 이해하는 것이 중요합니다. 이 기사에서는 각 손실 유형, 자동차 애플리케이션에 미치는 영향, 핵심 기여 요인을 분석합니다.

I. 소개

글로벌 전동화와 배기가스 규제 강화로 고효율 자동차 모터에 대한 수요가 급증하고 있습니다. 모터 효율은 입력 전력에 대한 출력 기계 동력의 비율을 의미하며 소실된 에너지(열, 소음, 마찰)는 손실로 분류됩니다. 안정적인 환경의 산업용 모터와 달리 자동차 모터는 다양한 속도, 부하 및 온도로 동적으로 작동하므로 손실이 증폭되고 목표 효율 최적화가 필요합니다.

낮은 효율은 차량 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. EV 주행 거리가 5~15% 줄어들고 HEV 연료 소비량이 3~8% 증가할 수 있습니다. 손실로 인한 과도한 열은 부품 마모를 가속화하고 권선과 베어링을 손상시키며 출력을 제한하는 열 보호 기능을 작동시킵니다. 손실 원인을 식별하면 제조업체가 내구성 있고 효율적인 모터를 설계하고 유지 관리 팀이 목표 수정 사항을 구현하는 데 도움이 됩니다.

II. 고정자 구리 손실

핵심 영향

I²R 손실이라고도 알려진 고정자 구리 손실은 모터 비효율의 주요 원인으로, 정상 작동 조건에서 총 손실의 30~50%를 차지하며 오르막 주행이나 무거운 견인과 같은 고부하 시나리오에서는 60%까지 급증합니다. 이러한 손실은 전류가 고정자 권선을 통해 흐를 때 발생하며, 줄(Joule)의 법칙에 따라 구리 도체의 고유 저항으로 인해 열이 발생합니다(손실은 전류와 권선 저항의 제곱에 비례함). 그에 따른 온도 상승은 전력 변환 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 절연을 손상시킬 위험이 있으며, 출력 감소는 차량 가속 및 견인 능력에 직접적인 영향을 미칩니다.

특정 원인

1. 권선 저항: 권선 저항은 R = ρL/A(저항률 × 길이/단면적) 공식을 통해 구리 손실과 직접적으로 연결됩니다. 얇은 와이어, 긴 권선 길이, 불순한 구리 재료 또는 도체 산화 등은 모두 저항을 증가시킵니다. 예를 들어, 직경 1mm의 구리 와이어는 같은 길이의 2mm 와이어보다 저항이 4배 더 높으며, 이는 동일한 전류에 대해 구리 손실을 두 배로 늘립니다. 이는 소형 ​​제품의 중요한 문제입니다.자동 전기 모터공간 제약으로 인해 와이어 크기가 제한되는 경우.

2. 전류 밀도: 전류 밀도(단위 전선 면적당 암페어)가 높을수록 구리 손실이 크게 증가합니다. EV 트랙션 모터와 같은 고성능 자동차 모터는 일반적으로 20~30A/mm²에서 작동하지만 과부하로 인해 이 속도가 35+A/mm²까지 높아질 수 있습니다. 기존 스타터 모터는 콜드 스타트 ​​중에 50+ A/mm²의 과도 전류 밀도를 경험하므로 손실 위험이 높아지고 권선 절연에 더 큰 스트레스가 가해집니다.

3. 권선 결함: 잘못된 권선 기술(고르지 않은 간격, 느슨한 연결)은 핫스팟을 생성하고 저항을 높여 시간이 지남에 따라 잠재적으로 단락을 일으킬 수 있습니다.

4. 열 분해: 고온은 구리 전도성을 감소시키고 절연을 손상시켜 저항을 증가시키고 손실 증폭 주기를 생성합니다.

III. 로터 구리 손실

핵심 영향

로터 구리 손실은 하이브리드 파워트레인의 일반적인 선택인 유도 자동차 모터에만 해당되며, 로터 권선에 유도된 와전류와 고정자 자기장과 로터 사이의 미끄러짐으로 인해 발생합니다. 이러한 손실은 정격 부하에서 총 손실의 10~20%를 차지하며 저속에서는 30%까지 급증할 수 있습니다. 이는 자주 정지하고 출발하는 도시 주행에서 자주 발생하는 시나리오입니다. 결과적인 로터 가열은 토크 출력을 5~8% 감소시켜 HEV 연비와 플러그인 하이브리드 주행 거리에 직접적인 영향을 미칩니다.

특정 원인

1. 슬립(Slip): 슬립은 고정자 자기장과 실제 회전자 속도 사이의 속도 차이를 나타냅니다. 높은 슬립(고부하 또는 급가속 시 3~8%, 꾸준한 순항 시 1~2%)은 회전자 전류를 증가시켜 구리 손실을 증가시킵니다. 예를 들어, 1000RPM에서 5% 슬립으로 작동하는 20kW 유도 모터는 1% 슬립으로 작동할 때보다 회전자 구리 손실이 2.5배 더 높기 때문에 이는 도시 주행 효율성의 주요 관심사입니다.

2. 회전자 저항: 교류 발전기와 같은 비용 효율적인 자동차 모터에 널리 사용되는 알루미늄 회전자는 구리 회전자보다 저항률이 63% 더 높기 때문에 동일한 설계에서 구리 손실이 20~30% 더 높습니다. 도로 염분이나 습기로 인한 오염은 물론 로터 바와 엔드 링 사이의 느슨한 연결로 인해 저항이 더욱 증가하고 시간이 지남에 따라 손실이 증폭됩니다.

3. 회전자 와전류: 고주파 고정자 전류(VFD에서 발생)는 추가 회전자 전류를 유도하여 현대 자동차 전기 모터의 구리 손실을 증가시킵니다.

IV. 길 잃은 손실

핵심 영향

기타 손실이라고도 불리는 표유 손실은 정상 작동 시 총 손실의 5~15%를 차지하며, 800V EV 시스템으로 구동되는 고주파 자동차 모터에서는 최대 20%를 차지합니다. 이러한 손실은 주 고정자 및 회전자 권선 외부에서 발생하며 직접 측정하기 어렵고 열 및 전자기 간섭(EMI)으로 나타납니다. EMI는 센서 및 인포테인먼트와 같은 차량 전자 시스템을 방해할 수 있으며, 과도한 열은 절연 노화를 가속화하므로 표유 손실이 고속 자동차 모터에 중요한 고려 사항이 됩니다.

특정 원인

1. 누설 자기장: 고정자에 의해 생성된 모든 자속이 회전자와 연결되는 것은 아닙니다. 일부는 모터 프레임, 엔드 실드 또는 인접 구성 요소로 누출됩니다(누설 인덕턴스라고도 함). 이 누설 자속은 전도성 부품에 와전류를 유도하여 열과 표유 손실을 발생시킵니다. 에어 갭이 작은 소형 자동차 모터(예: 휠 허브 모터)는 부품 근접성으로 인해 표유 손실이 30~40% 더 높습니다. 제조업체는 비자성 플럭스 장벽을 모터 프레임에 통합하여 이를 완화합니다.

2. 고조파: VFD에서 생성된 고주파 고조파는 표유 손실을 2~3배 증폭합니다. 필터링이 불량하면 EV 자동차 전기 모터의 효율 손실과 EMI가 악화됩니다.

3. 비대칭: 고정자-회전자 오정렬 또는 제조 결함으로 인해 자기장이 왜곡되고 손실이 증가하며 차량 진동으로 인해 악화됩니다.

V. 철 손실

핵심 영향

철 손실 또는 코어 손실은 고정자 및 회전자 코어의 자기 히스테리시스 및 와전류로 인해 발생하며, 정격 속도에서는 총 손실의 10~25%를 차지하고 고속(15,000+RPM)에서는 최대 40%를 차지합니다. 이러한 손실은 작동 주파수의 제곱에 따라 증가하므로 가변 속도 자동차 모터의 주요 관심사가 됩니다. 10,000RPM으로 작동하는 EV 모터는 3,000RPM에서 작동하는 EV 모터보다 철 손실이 9배 더 높아 고속 주행 효율성과 주행 거리에 직접적인 영향을 미칩니다.

특정 원인

1. 히스테리시스 손실: 히스테리시스 손실은 고정자 자기장이 교대로 반복됨에 따라 코어 재료(일반적으로 실리콘강)의 자화 및 감자가 반복되어 발생합니다. 좁은 히스테리시스 루프를 갖춘 고급 실리콘강은 저급 재료에 비해 이러한 손실을 15-20% 줄입니다. 영구 자석 자동차 모터에서 자석의 자속 밀도는 히스테리시스 손실에도 영향을 미치므로 설계 중에 신중한 재료 일치가 필요합니다.

2. 와전류 손실: 적층 두께와 주파수의 제곱에 비례합니다. 얇은 절연 라미네이션은 VFD 구동 자동차 전기 모터의 손실을 60~70% 줄입니다.

3. 자기 포화: 과도한 자속은 자기장을 왜곡하고 손실을 증가시킵니다. 이는 신중한 코어 설계가 필요한 고토크 자동차 모터에 매우 중요합니다.

6. 기계적 손실

핵심 영향

마찰과 바람(공기 저항)으로 인한 기계적 손실은 고성능 EV 모터의 경우 정격 속도에서 전체 손실의 5~10%, 초고속(20,000RPM 이상)에서는 최대 25%를 차지합니다. 이러한 손실은 주어진 속도에서 일정하며 장시간 고속도로 주행 중에 심각해집니다. 이는 출력 토크를 3~5% 줄이고 EV 주행 거리에 직접적인 영향을 미칩니다. 기계적 손실이 1% 감소할 때마다 주행 거리가 0.5~1% 연장되므로 핵심 최적화 목표가 됩니다.

특정 원인

1. 베어링 마찰: 베어링은 전체 기계적 손실의 60-70%를 차지합니다. 윤활 불량, 베어링 궤도 마모, 샤프트 정렬 불량 또는 과도한 예압으로 인해 마찰 손실이 두 배로 늘어날 수 있습니다. 합성 폴리우레아 또는 퍼플루오로폴리에테르 그리스는 자동차 온도 범위(-40℃ ~ 150℃)에서 기존 리튬 기반 그리스보다 성능이 뛰어나 극한 조건에서 작동하는 자동차 전기 모터의 낮은 마찰을 유지하는 데 도움이 됩니다.

2. 편류 손실: 속도의 제곱에 비례합니다. 공기 역학적 설계와 오일 미스트 윤활은 고속 자동차 모터의 손실을 줄입니다.

3. 씰 마찰: 마모된 씰은 마찰을 증가시키고 누출 위험을 증가시켜 자동 전기 모터를 손상시키고 효율성을 감소시킵니다.

Ⅶ. 자동차 전기 모터 및 자동차 모터에 대한 주요 고려 사항

자동차 전기 모터 효율을 최적화하려면 자동차 관련 조건을 목표로 삼아야 합니다. 제조업체 및 유지 관리 팀을 위한 주요 전략은 다음과 같습니다.

1. 재료 선택: 권선에 고전도성 무산소 구리를 사용하여 알루미늄에 비해 구리 손실을 20-30% 줄입니다. 저손실 실리콘강 또는 비정질 금속 코어는 철 손실을 최소화하는 반면, 세라믹 베어링(강철보다 마찰 계수가 낮음) 및 합성 그리스는 기계적 손실을 줄입니다. 이러한 재료 업그레이드는 고효율 자동차 모터에 매우 중요합니다.

2. 설계 최적화: 권선을 두껍게 하고 짧은 피치 권선을 사용하여 저항과 전류 밀도를 줄입니다. 고정자-회전자 공극을 최소화하면(정밀 모터의 경우 0.3~0.5mm까지) 누설 자속과 표유 손실이 줄어듭니다. 공기 역학적 로터 설계 및 액체 냉각 시스템은 바람 손실을 줄이고 고부하 작동으로 인한 열을 방출하여 효율성을 더욱 최적화합니다.

3. 품질 관리: 정밀한 제조 및 부품 검사를 통해 자동차 모터의 손실을 증폭시키는 결함을 최소화합니다.

4. 유지 관리: 정기적인 베어링/씰 교체, 윤활 및 VFD 튜닝을 통해 효율성과 모터 수명을 보존합니다.

Ⅷ. 결론

낮은 자동차 모터 효율은 전기적, 기계적 손실이 누적된 결과이며, 이는 자동차 시스템의 가혹하고 역동적인 작동 조건으로 인해 증폭됩니다. 전기 자동차의 경우 목표한 손실 감소는 성능 필수일 뿐만 아니라 주행 거리를 늘리고 소유 비용을 낮추는 핵심 요소이기도 합니다.

각 손실 유형의 원인과 영향을 이해하면 제조업체는 보다 효율적인 자동차 전기 모터 및 유지 관리 팀을 설계하여 사전 조치를 구현할 수 있습니다. 자동차 산업이 완전 전기화로 발전함에 따라 모터 효율 최적화는 지속 가능성 목표를 달성하고 차량 경쟁력을 강화하는 데 있어 중추적인 초점으로 남을 것입니다.