구동모터

구동모터

구동모터(Traction Motor)는 전기의 힘으로 회전하여 바퀴를 구동하는 모터 장치이다. 전기자동차 구동모터는 전기를 이용하여 구동력을 발생하는 전장품으로, 모터 축에 감속기를 연결하여 적절한 토크를 바퀴에 전달하여 차량을 구동하는 부품이다. 전류를 흘려주면 구동모터의 구동 축이 회전하도록 만들어주는 부품에 전기 강판이 사용되는데, 전기 강판의 전력 손실이 낮을수록 구동모터의 효율이 향상되며, 이를 통해 전기자동차의 전비가 향상될 수 있다.

개요

구동모터는 전기에너지로부터 전자계를 매개체로 하여 기계에너지로 변환을 통해 구동력을 발생시키기 장치는 회전기기 또는 선형기기이다. 하이브리드 자동차(hybrid car) 및 플러그인 하이브리드 자동차(plugin hybrid automobile)에 사용되고 있는 구동모터는 회전기로써 대표적인 친환경에너지 변환기기로 연구 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 구동모터 기술로 고출력, 고효율 기술이 요구되고 있으나 이 두 가지 기술은 서로 상반되는 특성이므로 두 가지 성능 모두 향상하도록 하는 최적 설계가 필요하다. 주로 회전자 내부에 영구자석을 삽입하는 매입형 영구자석동기모터(IPMSM)가 사용되고 있으나, 테슬라(Tesla)와 같이 고출력 유도 모터를 이용하기도 한다. 그 외 여자권선형 동기 모터(WFSM), 릴럭턴스 모터(SynRM, SRM, PMaSynRM) 등도 전기자동차의 구동모터 후보군으로 연구 개발을 진행 중이다. 하이브리드차의 구동모터는 초기 주행시 순수 전기 주행을 하며 가속 및 등판 시 엔진의 구동력을 보조한다. 전기자동차는 엔진의 구성 없이 구동모터로만 구동력을 발생시킨다. 또한, 차량의 감속 및 제동시 구동모터를 발전기로 제어하고 에너지를 전기에너지의 형태로 회수하여 배터리를 충전한다. 구동모터 설계의 핵심기술인 전자기 및 기구 설계를 바탕으로 소형화 및 고출력화 기술에 초점을 맞추어 경쟁력 확보 향상에 주력하고 있다.

구조

하이브리드차의 구동모터 구조

구동모터의 구성 요소는 동선, 고정자 철심, 하우징, 회전자 철심, 받침대, 영구자석 등이 있고, 동선과 전류가 통하는 구리 전선이다. 고정자 철심은 구동모터의 내부에 고정되어 있는 부품으로 포스코 전기 강판이 적용된다. 하우징은 구동모터를 둘러싸고 있는 상자형 부품이다. 회전자 철심은 구동모터의 내부에서 회전하는 부품으로 포스코 전기 강판이 적용된다. 받침대는 구동모터를 부착하고 지지하기 위해 설치하는 버팀대이다. 영구자석은 전류가 흐르지 않아도 자력을 띠는 자석으로 우리가 알고 있는 일반적인 자석을 말한다. 출력 밀도가 높고 광범위한 운전이 가능한 영구자석동기모터가 친환경차용 구동모터로 주로 사용되고 있고 형상에 의해 엔진에 직결하는 하이브리드차용인 팬케이크형이 있다. 구조를 보면 크게 3가지 부분으로 회전자의 절대 위치 검출을 위한 레졸버 어셈블리, 전원 공급과 모터를 지지하기 위한 하우징 및 고정자 어셈블리, 동력을 발생시키고 전달하는 회전자 어셈블리로 나뉜다. 위치센서인 레졸버는 변압기 원리를 이용한 1차 측 여자 코일과 2차 측 2상의 출력 코일로 구성된 고정자부와 전기 강판으로 적층한 회전자 부를 포함하고 있다. 하우징/고정자 어셈블리는 모터를 지지 하고 변속기/엔진과 결합하는 하우징부와 전기 강판이 적층되어 있고 권선을 포함하고 있는 고정자부, 그리고 구동모터 과온 방지를 위한 온도센서를 포함하고 있다. 회전자 어셈블리는 동력 전달을 위한 샤프트부와 전기 강판을 적층 후 영구자석을 삽입한 회전자부로 구성된다.

원리

회전자계 만드는 방법

회전축을 지닌 영구자석의 주변에서 자석을 회전시키면 N극과 S극이 당겨지는 힘이나 같은 극끼리 밀어내는 힘에 의해 회전축을 지닌 자석이 회전하는데, 이것이 모터 회전의 기초 원리이다. 실제로는 도선에 전류를 주입함으로써 그 주변에 자계를 발생시켜 회전 자계를 만들어 자석이 회전하는 것과 동일한 상태가 되는 것이다. 또한, 도선을 코일 상태로 말면, 자력의 합성을 통해 큰 자계의 다발이 되어 N극과 S극이 발생하는데, 코일 상태의 도선 속에 철심을 넣음으로써 자력선이 통과하기 쉽게 되어, 보다 강한 자력이 발생할 수 있다. 120°위상이 시프트된 교류 신호인 3상 교류와 코일을 사용하여 회전 자계를 만드는 방법은 우측의 사진과 같다.

• ① 상태에서의 합성 자계가 하기 그림의 ①이다.
• ② 상태에서의 합성 자계가 하기 그림의 ②이다.
• ③ 상태에서의 합성 자계가 하기 그림의 ③이다.

상기와 같이 철심에 코일을 감은 것을 3상의 U상 코일, V상 코일, W상 코일로 하고, 120°시프트를 배치함으로써 3상 전압이 높은 쪽의 코일에 N극, 낮은 쪽에 S극이 발생된다. 각각의 상은 정현파 상태로 변화하므로, 각 코일에서 발생하는 극과 그 자계가 변화된다. 이 때, N극이 발생하는 코일만을 보면, U상 코일 → V상 코일 → W상 코일 → U상 코일의 순서로 변화하므로, 회전할 수 있다.

특징

GM-볼트 구동모터(IPMSM/HairPin권선

전기자동차의 구동모터로는 영구자석을 사용한 영구자석모터(PM motor)와 유도모터가 주로 사용된다. 영구자석모터의 전자기 소음 및 진동의 주요한 발생원은 크게 토크리플과 코깅토크가 있다. 토크리플은 3상 구동모터의 경우, 전기적 1주기당 6번 발생하는 리플의 기본 주기와 기계적 1회전당 극쌍수의 곱으로 주어진다. 그리고 코깅토크는 극 수와 슬롯 수의 최소공배수로 발생한다. 슬롯과 극 수 조합의 한 예로써 16극 24슬롯의 조합을 가정해 보면 토크리플 48차, 코깅토크 48차의 가진원 발생으로 토크리플의 가진원과 코깅토크의 가진원이 중첩됨을 알 수 있다. 이와 달리 유도모터는 회전자 슬롯 수 ±극 수, 고정자 슬롯 수 ± 극 수의 주요한 가진 원을 가지고 있기 때문에, 전자기 설계 조합이 더욱 복잡하다. 가전 기기와 마찬가지로 전기자동차에서도 스위칭 주파수 성분의 소음 문제를 회피하기 위하여 수kHz 이상의 주파수를 사용하고 있다.

장점

구동모터는 전기에너지를 운동에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 따라서 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 첫 번째로 주행 중에 발생하는 소음과 진동이 매우 적다. 그래서 전기차에 처음 탑승하는 사람들은 전기차 특유의 조용하고 안락한 승차감에 놀라곤 한다. 또한 전기차의 파워트레인은 엔진보다 크기가 작아 공간 활용성을 높이는데 유리하다. 남는 공간을 실내 공간이나 짐 공간 확장에 활용할 수 있다. 구동모터는 발전기로도 활약한다. 내리막길 등 탄력 주행 시 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있고, 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지이다. 이는 회생 제동 시스템이라고 한다. 현재 현대자동차그룹(Hyundai Motor Group)의 일부 전기차에는 회생 제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있으며, 스티어링휠의 패들시프트를 통해 감속과 회생 제동 수준을 단계 별로 조작할 수 있다. 이를 통해 효율을 개선하는 것은 물론 운전의 재미까지 느낄 수 있다.

관련 기술

직접구동모터

직접구동모터(다이렉트 드라이빙 모터)는 턴 테이블을 직접 구동(1:1)하는 방식의 모터. 회전이 고르고, 전지로 사용할 수 있는 이점이 있다. 원리는 VFO(가변 주파수 발전기)의 출력을 분주하여 이상기에 의해서 3상 교류를 만들어 3상 모터에 공급하는 것이다. 모터에 부착된 검출기에 의해 회전수를 검출하여 VFO의 주파수와 비교해서 회전수가 세트한 값으로 되도록 VFO의 발진 주파수가 제어된다. 이상과 같은 회로는 모두 모터 속에 내장되어 있다.

친환경차 핵심 공용 부품

현재 하이브리드차 및 수소연료전지차, 플러그인차, 전기차 등의 대용량 전기 파워트레인을 고려할 때 고출력 모터 설계 기술 확보가 우선적으로 요구되며, 인-휠 타입과 동력 축 직간접 연결형 구동모터를 정해진 공간 제약 하에서도 높은 출력 밀도를 갖도록 개발함으로써 차량 전체 시스템의 컴팩트화 효율성 증진 등의 목표를 달성할 수 있다. 고출력 밀도 달성을 위해서는 높은 에너지 밀도를 지닌 영구자석형 구동모터를 기본 방향으로 개발할 필요가 있으며, 특히 영구자석 동기 구동모터는 영구자석 지속에 의한 토크와 더불어 추가적인 릴럭턴스 토크를 활용할 수 있어 고출력화에 유리한 것으로 판단된다. 또한 유도모터는 영구자석모터에 비하면 단위 출력 당 부피가 크고, 운전 구간에서의 효율이 다소 낮으며, 특히 저속 영역에서의 효율이 많이 뒤떨어진다는 단점이 있다. 그러나 구조가 견고하여 내구성 및 신뢰성 확보 측면에서 유리하며, 고가의 영구자석을 사용하지 않기 때문에 저가격화 측면에서 장점이 존재한다. 친환경차용 구동모터는 출력이 높고, 고전류가 통전되기 때문에 일반적인 모터 설계 구조와는 차별화된 컴팩트한 모터 구조 설계 기술이 요구되며, 이를 위한 핵심 기술로 저 손실 코어 선정, 적층 공법을 고려한 자기 구조 설계 기술, 대전류 통전 시 손실 최소화, 열적 신뢰성 확보를 위한 고밀도 권선 설계 기술, 고속 스위칭 특성을 고려한 절연 처리 기술이 필수적이다. 영구자석형 및 유도형 모터의 고효율화를 위한 동 다이캣그팅 방식의 회전자 제작 기술과 영구자석형 모터와 유도형 모터의 중간 형태의 신개념 모터의 출현을 기대한다.

기술 현황

미국

테슬라 모델S 구동모터(유도모터)

GM-볼트 구동모터(IPMSM/HairPin권선

테슬라(Tesla)는 모델S(Model S), 모델X(Model X)에 고출력 고효율 유도모터를 탑재하여 현존하는 최고 성능의 전기차를 양산하고 있다. 테슬라의 유도모터는 회전자에 알루미늄 다이캐스팅이 아닌 구리바의 브레이징 기술을 적용하여 손실을 저감하고 고정자 및 회전자의 수냉채널을 통해 냉각 성능을 확보하여 출력 밀도를 높였다. 일반적으로 전기자동차용 구동모터는 효율 측면에서 모터의 체적을 설정하려고 하나, 테슬라의 경우 출력을 높이는 대신 체적보다는 오히려 냉각 성능을 극대화하는 측면에서 개발되었다. 제너럴모터스(General Motors)는 쉐보레 볼트 EV(Chevrolet Bolt EV)의 2세대 '볼트 ec' 파워트레인에 영구자석동기모터를 탑재하고, 고정자 권선을 각동선 헤어핀 권선 기술을 적용하여 점적율의 극대화와 효율을 개선하였다. 또한 에어 베리어 적용을 통해 코깅토크 및 철손 저감을 달성하였다.

일본

닛산 리프 구동모터 및 회전자형상(IPMSM)

일본은 1997년 후반 토요타(Toyota)의 1세대 프리우스(Prius) 하이브리드 자동차를 양산하여 친환경자동차 개발의 시초가 되었다. 또한 1999년 혼다(Honda)의 인사이트(Honda Insight) 하이브리드 차량도 양산되었다. 일본의 경우 순수 전기자동차보다는 하이브리드 전기차의 기술력이 집약되어 있다. 순수 전기자동차로써는 2010년 출시된 닛산 리프(Nissan Leaf)가 최초의 전기차로 양산되었으며 현재까지 전세계 전기차 시장의 50%에 해당되는 판매 실적을 달성하였다. 전기모터는 80kW급 매입형 영구자석동기모터를 탑재하고 있다.

유럽

볼크스웨근 e-골프 구동모터 및 회전자형상(IPMSM)

비엠더블유(BMW)는 2014년 i3 모델에 신규 개발된 하드웨어 보안 모듈(HSM)을 탑재했다. 모터 측면에서는 변형된 매입형 영구자석동기모터로 볼 수 있으며 회전자 내에 2층의 영구자석 배치와 에어베리어의 효과적 설계로 성능을 향상했다. 폭스바겐(Volkswagen)도 비엠더블유 i3를 견제하여 골프 전기차를 양산하였는데 모터는 하드웨어 보안 모듈과 거의 유사한 방식으로 설계되어 있다. 르노(Renault)의 경우 플루언스(Fluence)를 출시하면서 영구자석을 사용하지 않는 권선계자형동기모터(WFSM)를 탑재하였다. 희토류 영구자석을 사용하는 영구자석 동기 모터의 경우 고가이며 고속에서의 제어 특성이 나빠지지만, 권선계자형동기모터의 경우 회전자의 자기장을 전류로 제어를 할 수 있어 고속 제어에 유리한 면이 있다. 그러나 출력 밀도 및 효율이 모두 낮아지는 단점도 존재한다.

국내

2009년 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)에서 개발된 국내 최초 하이브리드 자동차 LPi 아반떼(Avante) 하이브리드를 시초로, 2011년 쏘나타(Sonata) 하이브리드와 K5 하이브리드를 통해 전기차 양산 기술을 확보했다. 현재는 쏘울(Soul)에 80kW급 영구자석동기모터를 이용하여 순수 배터리 전기차의 양산과 기술력을 세계에 입증하였다. 또한 6속 자동변속기에 토크컨버터를 삭제하고 그 자리에 38kW/205 Nm의 구동모터와 엔진클러치를 일체형으로 설계 및 탑재하여 파워트레인의 효율을 극대화하고 고효율의 연비를 실현하였다. 이러한 시스템을 변속기 장착 전기구동(TMED) 시스템이라고 하며 병렬형 하이브리드 시스템에 가장 범용적으로 적용되고 있다. 최근에는 변속기 효율을 극대화할 수 있는 듀얼클러치변속기(DCT)가 변속기 장착 전기구동 하이브리드 시스템의 변속기로 적용이 증가하는 추세이다.

㈜포스코 인터내셔널(Posco International Corporation)이 '전기차의 심장'으로 불리는 구동모터 코어(구동모터 중요 부품) 사업을 집중 육성한다. 2025년 글로벌 점유율 20%를 차지해 세계 최고 수준 업체가 된다는 계획을 세웠다. 최정우 포스코 회장이 추진하고 있는 친환경차 관련 신사업 강화에 발맞춘 것이다. 포스코 인터내셔널은 2025년까지 구동모터 코어를 400만 대 공급하고 세계 시장 점유율을 20%까지 끌어올린다는 목표를 세웠다고 밝혔다. 모터 코어는 전기차와 산업용 설비 등의 모터에 들어가는 핵심 부품이다. 구동모터의 심장 역할을 하며 전기차 시장 성장과 함께 수요가 급증하고 있다. 포스코 인터내셔널이 생산·공급한 구동모터 코어는 현대자동차그룹을 비롯한 세계 유수의 완성차 업체에 적용됐다. 국내에서 생산된 친환경차 대부분에 장착돼 있다. 2025년까지 전기차 약 1000만 대에 탑재되는 물량도 수주했다. 금액으로는 약 2조 5000억 원에 달하는 규모이다. 포스코 인터내셔널이 지분 100%를 보유하고 있는 자회사 ㈜포스코 에스피에스(Posco SPS)는 2009년부터 현대자동차그룹에 모터 코어를 공급하기 시작했다. 최근에는 전기적 손실을 최소한으로 줄이고 연비를 향상할 수 있는 혁신기술 '엠프리(EM Free)'를 개발했다. 국내 모터 코어 제조사 중 유일하게 금형 연구소를 자체 보유하고 있어 금형 설계부터 코어 제조까지 일련의 과정을 모두 서비스하는 고객 밀착형 체제를 갖추고 있다. 업계에서는 친환경 차 시장 규모가 증가함에 따라 모터 코어 시장 또한 급격히 확대될 것으로 전망하고 있다. 일반적으로 전기차 1대 당 1개의 구동모터 코어가 적용되는데, 향후 듀얼, 트라이얼 모터 적용으로 다수 수요 확대가 예상되기 때문이다. 포스코 인터내셔널은 이러한 자동차 업계 변화에 주목하며, 국내 생산 라인을 증설해 2022년까지 연 200만 대 생산 체제를 구축하고 자체 보유한 80여 개 글로벌 네트워크를 통해 해외 수주를 적극적으로 늘릴 계획이다. 포스코 그룹이 보유한 중국, 인도 생산 거점에 생산 설비와 전문 인력을 확충하고 유럽과 아메리카 지역에 생산 법인을 설립하는 등 선제 투자도 검토하고 있다. 이를 통해 2025년까지 400만 대 공급 체제를 구축해 세계 시장 점유율 20%를 확보하고, 연간 매출 7500억 원을 달성한다는 목표다. 한편, 포스코 인터내셔널은 전기차와는 별도로 수소전기차의 동력원 역할을 하는 연료전지용 분리판 소재를 현대자동차 넥쏘(Nexo) 모델에 적용함으로써 상용화를 위한 발판을 마련했다. 그린뉴딜 프로젝트 추진으로 수소전기차 시장 또한 가파르게 성장하고 있어 향후 차 부품 포스코 인터내셔널의 새로운 성장 동력이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

전망

1회 충전 주행 거리 향상을 위한 구동 시스템의 평균 효율 향상

전기차 구동 시스템으로써 유도모터는 안정된 약계자 제어 특성으로 고속 운전 시 상대적으로 효율이 우수하나, 저속 운전 시 역률 및 효율이 저하되어 도심 주행에서는 불리하다. 매입형 영구자석동기모터의 경우, 유도모터에 비해 넓은 운전 영역에서의 고효율이 가능하지만 고속 시의 약계자 제어 특성이 불리하고 토크리플이 상대적으로 커서 10,000rpm 이상의 초고속 설계가 매우 어렵다. 전기차용 구동 시스템은 기계적 변속기 없이 인버터에 의한 벡터 제어 기법으로 고속 운전 특성을 구현할 수 있지만, 평균 효율 향상을 위해 2단 변속 시스템을 탑재하여 고효율 운전 영역을 확대하는 구동 시스템 연구가 필요하다.

출력 밀도 향상

구동속도를 증가시키면 소형 고출력의 구동모터 설계가 가능하다. 현재 영구자석동기모터는 10,000rpm이 최대 운전 속도로 제한되고 있으며, 유도 전동기는 13,000rpm 정도의 최대 운전 속도가 가능하다. 최대 운전 속도 증가로 인한 시스템 경량화가 가능하기 위해서는 베어링, 감속기 등의 기계 부품의 신뢰성과 전력 변환 시스템의 고속 스위칭 소자류의 적용 기술 및 전동기의 소음 진동, 손실 저감 기술 등이 필요하다. 같은 사이즈의 구동 시스템이라 해도 냉각 성능이 우수한 제품은 출력 밀도를 높일 수 있으며, 기존 하우징의 수냉식 냉각 유로 방식을 넘어서는 냉각 구조 및 냉매를 이용한 효율적 냉각 시스템 개선이 요구된다. 최근 평각 동선을 사용하여 전동기 슬롯의 고점적률을 달성한 고출력 밀도 전동기가 개발되고 있으며, 평각 동선을 감기 위한 권선기 및 결선 파트에 대한 제작 공법이 요구되고 있다.

희토류 영구자석 사용량의 최소화

매입형 영구자석 전동 모터의 희토류 영구자석은 고가이며, 가격의 변동 또한 크기 때문에 시장의 안정적 보급을 위해 희토류 자석을 최소화하는 영구자석 동기 모터의 개발이 필요하다. 이를 위하여 희토류 자석을 최소화하여 마그네틱 토크보다 릴럭턴스 토크를 주로 이용하는 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(PMa-SynRM) 등의 고출력화 연구가 필요하며, 희토류와 비희토류 영구자석의 하이브리드 회전자를 적용한 고출력 전기 구동 시스템 연구가 필요하다. 또한 희토류 성분 중 Dy를 최소화하면서 영구자석의 감자 내력을 극대화하는 전동기의 시장 진입이 요구된다.

전동기, 인버터, 감속기 일체형 구동 시스템

모터, 인 버터, 기어부의 일체형 구동 시스템 연구로 컴팩트화가 필요함. 하네스 없이 부스바에 의한 결선으로 배터리 전원 전압의 이용 극대화와 전자파 최소화를 실현할 수 있으며, 하우징의 공유로 최적의 냉각 기술이 적용되어 출력 밀도 최대화가 가능하다.

참고자료

• 현대모비스 공식 홈페이지 -https://www.mobis.co.kr/kr/carPoint/contentsid/442/index.do
• 〈모터 회전 원리 (1)〉, 《로옴》
• 〈직접 구동모터〉, 《네이버 지식백과》
• 현대자동차그룹, 〈쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《HMG JOURNAL》, 2020-03-16
• 포스코, 〈전기차 구동모터〉, 《포스코 제품》
• 팀워크 글로벌 그룹, 〈차량 구동모터 개발 역사〉, 《팀워크 글로벌 그룹》, 2018-12-29
• 김기찬 교수, 〈전기자동차 구동용 모터의 기술현황 및 이슈〉, 《한국자동차공학회》, 2017-02
• 오토저널, 〈친환경 차량 용 구동모터 기술 동향〉, 《글로벌 오토 뉴스》, 2018-02-19
• 박종찬, 박승용, 조현규, 박윤수, 〈[전기자동차 소음저감을 위한 구동모터 하우징의 동특성 평가]〉, 《한국소음진동공학회》, 2012
• 최만수 기자, 〈포스코인터 '전기차 심장' 구동모터 코어 1위 향해 뛴다〉, 《한국경제》, 2021-02-01
• soclsrnwlsl, 〈그린카용 핵심 공용 부품 기술 요구 사항 구동모터, 인버터, 컨버터, 공용 플랫폼 - 그린 에너지 전략 로드맵 2021.그린카 021〉, 《네이버 블로그》, 2016-10-23
• 〈전기차 백과사전 A to Z – 1: 쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《현대자동차그룹》, 2020-03-25

같이 보기

• 모터
• 전기자동차

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