Axial Flux Motors (축방향 자속 모터)

Axial Flux Motor는 무게 대비 발생 Torque가 크기 때문에, 비행체와 전기 자동차 등에서 사용 될 수 있는 주목 받는 기술이다.

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위 사진과 같이 대부분의 산업에서 사용되는 Radial Motor는 모터의 회전 축과 자기력선속 (magnetic flux)가 수직을 이루는 반면, Axial Motor는 평행하다.

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축방향 자속 모터는 기본적으로 permanent magnet과 electormagnet 간의 상호작용을 통해서 동작한다. 여기서 코일은 고정되어 있고, 영구자석은 회전할 수 있다.

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코일 A에 전원이 가해졌을 때, 코일 A는 위 사진과 같이 자성을 띄게 된다. 영구 자석의 S극은 코일 A에게 인력이 작용하고, N극은 척력이 작용하게 되면서 그 힘을 합성해보면 위 사진과 같이 tangential하게 되고, 그 힘에 의해서 rotor가 회전한다.

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위 사진과 같이 영구자석의 S극과 N극이 된 코일 A가 정렬 된 상황에서는 합력이 0이 된다. 하지만 관성에 의해서 rotor는 코일에 정확하게 정렬 된 상태에서 멈추지 않고 조금 더 움직이게 된다.

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그 동안 코일 B에 전원이 가해지고, 같은 과정이 반복 된다. 이후에는 코일 C가 전원이 가해진다. 이러한 과정을 통해서 rotor는 총 반바퀴를 돌게 되는 것이다.

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이후에는 코일 A부터 다시 전원이 가해지는데, 이전과는 반대의 극성을 가지도록 전원이 가해진다. 그리고 코일 B, 코일 C에도 해당 과정을 반복하면서 rotor가 계속해서 회전할 수 있게 한다.

한편, 이러한 과정을 통해서 모터를 작동시키면 두 개의 coil은 항상 꺼져있기 때문에 높은 출력을 낼 수 없다.

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이를 보완하는 방법이 위 사진과 같이 한 번에 두 개의 코일에 전원을 가하는 것이다. 이를 통해서 더 높은 torque와 power output을 얻을 수 있다.

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어떤 코일에 전원을 가할 지 결정하기 위해서 위 사진과 같은 electornics controller를 사용한다. 여기에 부착된 센서가 rotor의 위치를 결정하고, 이에 따라서 컨트롤러가 어떤 코일에 전원을 가할 지 결정한다.

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이론적으로는 위 사진과 같이 사각형 형태의 pulse는 일정한 torque를 만들어 낼 수 있다.

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하지만 현실에서는 순간적으로 phase current를 켜거나 끄게 되면 위 사진처럼 다른 두 개의 phase에서 ripple이 발생하게 되고, 일정한 토크를 만들 수 없게 된다.

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따라서 가장 좋은 방법은 위 사진처럼 phase current를 위 사진과 같이 점차적으로 늘리거나 줄이는 것이다. 이를 통해서 계속해서 일정한 torque를 얻을 수 있다.

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Radial Motor와 Axial Flux Motor의 flux path를 비교해보면 위 사진과 같다.

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Rotor와 Stator magnetic field 사이의 상호작용이 torque를 발생시키는데, 왼쪽 사진에서 볼 수 있듯이 radial motor에서는 filed loop가 대부분 rotor와 작용하지 않는다. 하지만 오른쪽 사진처럼 axial flux motor의 경우 대부분의 flux line이 토크를 만들기에 필요한 work area에 존재하는 것을 알 수 있다.

따라서 axial flux motor는 더욱 높은 밀도의 flux를 만들어 내고, 같은 크기에서 더 큰 torque를 만들어 낸다.

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또한, axial flux motor에서는 rotor 자석이 회전 축에서 더욱 먼 곳에 위치할 수 있기 때문에 더 큰 torque를 만들어 낼 수 있다.

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출처: https://www.youtube.com/watch?v=8EEVPVNJHjM&list=WL&index=7&ab_channel=Lesics