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구동모터
구동모터는 전기의 힘으로 회전하여 바퀴를 구동하는 장치이다. 전기자동차 구동모터는 전기를 이용하여 구동력을 발생하는 전장품(엔진에 해당되는 부분)으로, 모터 축에 감속기를 연결하여 적절한 토크를 바퀴에 전달하여 차량을 구동시키는 부품이다. 전류를 흘려주면 구동모터의 구동축이 회전하도록 만들어주는 부품에 전기강판(철강재료이자, 자기적 성질을 특징으로 하는 자성재료)이 사용되는데, 전기강판의 전력 손실이 낮을수록 구동모터의 효율이 향상되며, 이를 통해 전기자동차의 효율(전비)이 향상될 수 있다.
개발 역사
새로운 에너지 차량의 세 가지 핵심 구성 요소 중 하나 인 모터 드라이브 모터는 자동차 신 에너지 자동차 회사가 허브 모터 파리의 개발에 항상 주의를 기울여야 한다. 2020년 전력 배터리 목표에 대한 300KW / GK의 목표는 이미 매우 분명하다. 중국에서의 새로운 에너지 차량 개발은 여러 국제 제 1자 전력 배터리 회사를 창출했지만 중국은 국제적인 1단 드라이브 모터 기업이 없다. 새로운 자동차 자동차 회사가 혼란스럽게 생각하는 것은 순수한 전기 자동차 경로가 명확하게 정의되었지만 구동 모터는 "직접 구동 모터, 휠 모터, 휠 허브 모터" 등 서로 간에 조정이 없으며 전문 인력의 관점이 모호하며 사용자가 더 혼란스러울 수 있다.
차량 구동 모터의 개발 이력
트롤리 버스(외부의 전기를 직접 받아 이것을 연료로 이용하여 운행하는 버스 차량)는 카 시퀀스에 포함되지 않았다. 기본적인 이유는 온보드 에너지가 없지만 차량 관리 또한 버스 순서에 포함되어 있기 때문이다. 무궤도 전차는 자동차가 아니지만 도로 운송 차량이어야 한다. 현재 순수 전기 자동차와 트롤리 버스의 원칙은 기본적으로 동일하다. 달리 트롤리 버스 용 차량 파워 배터리와 순수 전기 자동차 용 차량 배터리는 없다.
트롤리 버스의 구동 모터는 순수 전기 자동차의 구동 모터와 동일하다. 시대의 진행, 드라이브 모터도 진행 중이다. 트롤리 버스 용 DC 모터, 중국의 순수 전기 자동차 구동 모터에 사용되는 비동기 AC 모터 및 영구 자석 동기 모터의 장기간 사용한다.
오늘날 차량 구동 모터는 기본적으로 영구 자석 동기 모터를 사용하며 트롤리 버스는 영구 자석 동기 모터를 사용한다.
여기서 설명하는 직접 구동 모터, 휠 모터 및 허브 모터는 모두 영구 자석 동기 모터이다. 소위 "다이렉트 드라이브 모터, 휠 모터, 허브 모터"는 모터가 차량의 다른 위치에 설치된 모터를 나타낸다.
전동 공구 모터를 사고 싶다면 정원 도구 모터에 주의해야 한다.
구동모터 기술로는 고출력, 고효율 기술이 요구되고 있으나 이 두 가지 기술은 서로 상반되는 특성이므로 두 가지 성능 모두 향상시킬 수 있는 최적 설계가 필요하다. 주로 회전자 내부에 영구자석을 삽입하는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)가 주로 사용되고 있으나, 테슬라와 같이 고출력 유도모터(인덕션 모터)를 이용하기도 한다. 그 외 여자권선형 동기모터(WFSM), 릴럭턴스 모터(SynRM, SRM, PMaSynRM)등도 전기차량의 구동모터 후보군으로 연구개발을 진행중이다.
- 하이브리드차의 구동모터는 초기 주행시 순수 EV 주행(엔진 정지)을 하며 가속 및 등판시 엔진의 구동력을 보조한다. 전기차는 엔진의 구성없이 구동모터로만 구동력을 발생시킨다. 또한, 차량의 감속 및 제동시 구동모터를 발전기로 제어하고 에너지를 전기에너지의 형태로 회수하여 배터리를 충전한다.
- 구동모터 설계의 핵심기술인 전자기/기구 설계를 바탕으로 소형화 및 고출력화 기술에 초점을 맞추어 경쟁력 확보 향상에 주력하고 있다.
전기차 구동모터의 구성 요소
전기차 구동모터(EV 트랙션 모터)의 구성요소는 동선, 고정자 철심,하우징, 회전자 철심, 받침대, 영구자석 등이 있고, 동선 - 전류가 통하는 구리 전선이다. 고정자 철심(스테이터 코어) - 구동모터의 내부에 고정되어있는 부품으로 포스코 전기강판이 적용된다. 하우징- 구동모터를 둘러싸고 있는 상자형 부품 회전자 철심(로터 코어) - 구동모터의 내부에서 회전하는 부품으로 포스코 전기강판이 적용된다. 받침대(브랙캣) - 구동모터를 부착하고 지지하기 위해 설치하는 버팀대이다. 영구자석(펄머넌트 마그넷) - 전류가 흐르지 않아도 자력을 띠는 자석으로 우리가 알고 있는 일반적인 자석
구동모터는 전기 에너지를 운동 에너지로 전환하여 바퀴를 굴린다. 모터를 구동 장치로 사용하며 얻는 장점은 다양하다. 일단, 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 운동 에너지를 전기 에너지로 전환해 배터리에 저장할 수 있고, 주행 중 속도를 줄일 때도 마찬가지이다. 이는 회생제동 시스템이라고 한다. 현재 현대자동차그룹의 일부 전기차에는 회생제동을 단계별로 조절할 수 있는 장치가 마련되어 있으며, 스티어링 휠의 패들시프트를 통해 감속과 회생제동 수준을 단계별로 조작할 수 있고, 이를 통해 효율을 개선하는 것은 물론 운전의 재미까지 느낄 수 있다.
- 전기차 동력 구조
1. 구동모터 2. 감속기 3. 배터리 4. 온보드차저 5. 통합전력제어장치
- 전기자동차 공통핵심 전장품
1. 배터리 및 배터리관리시스템(BMS) 2. 구동모터 3. 인버터
모터 회전과 구동 원리
자석·자력을 통해 회전
회전축을 지닌 영구 자석의 주변에서 ① 자석을 회전시키면 (회전 자계), ② N극과 S극이 당겨지는 힘이나 같은 극끼리 밀어내는 힘에 의해, ③ 회전축을 지닌 자석이 회전하는데, 이것이 모터 회전의 기초 원리이다.
실제로는 도선에 전류를 주입함으로써 그 주변에 자계를 발생시켜 회전 자계 (자력)를 만들어 자석이 회전하는 것과 동일한 상태가 되는 것이다.
또한, 도선을 코일 상태로 말면, 자력의 합성을 통해 큰 자계의 다발 (자속)이 되어 N극과 S극이 발생하는데, 코일 상태의 도선 속에 철심을 넣음으로써 자력선이 통과하기 쉽게 되어, 보다 강한 자력을 발생시킬 수 있다.
실제 모터 회전
3상 교류(120°위상이 시프트된 교류 신호)와 코일을 사용하여 회전 자계를 만드는 방법
-> 상기 ① 상태에서의 합성 자계가 하기 그림의 ①이다. -> 상기 ② 상태에서의 합성 자계가 하기 그림의 ②이다. -> 상기 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 극 (N극, S 극)과 그 자계 (자력)이 변화된다. 이 때, N극이 발생하는 코일만을 보면, U상 코일 → V상 코일 → W상 코일 → U상 코일의 순서로 변화하므로, 회전할 수 있다.
기술 현황
미국
테슬라는 모델S, 모델X EV에 고출력 고효율 유도전 동기를 탑재하여 현존하는 최고 성능의 전기차를 양산하고 있다. 테슬라의 유도모터는 회전자에 알루미늄 다이캐스팅이 아닌 구리바의 브레이징 기술을 적용하여 손실을 저감하고 고정자 및 회전자의 수냉채널을 통해 냉각성능을 확보하여 출력밀도를 높였다. 일반적으로 전기자동차용 구동모터는 효율 측면에서 모터의 체적을 설정하려고 하나, 테슬라의 경우 출력을 높이는 대신 체적보다는 오히려 냉각 성능을 극대화시키는 측면에서 개발되었다. GM은 볼트의 2세대 ‘볼트ec’ 파워트레인에 영구자석형 동기전동기를 탑재하고, 고정자 권선을 각동선 헤어핀 권선기술을 적용하여 점적율의 극대화와 효율을 개선하였다. 또한 에어 베리어 적용을 통해 코깅토크 및 철손 저감을 달성하였다.
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일본
일본의 경우 1997년 후반기 도요타의 1세대 프리우스 하이브리드 자동차를 양산하여 친환경 자동차 개발의 시초가 되었고, 1999년 혼다의 인사이트 하이브리드 차량도 양산되었다. 일본의 경우 순수전기자동차보다는 하이브리드 전기차의 기술력이 집약되어 있다. 순수 전기 자동차로서는 2010년 일본의 닛산 ‘리프’ 전기차가 최초의 양산형 전기차로 양산되었으며 현재까지 전세계 전기차 시장의 50%에 해당되는 판매 실적을 달성하였다, 전기모터는 80kW급 매입형 영구자석 동기전동기를 탑재하고 있으며 2018년 상반기에 주행거리 320km 이상의 신형 모델출시를 예정하고 있다.
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유럽
BMW는 2014년 i3 모델에 신규 개발된 HSM(하이브리드 씬크러노어스 모터)를 탑재하였다 <그림 4>. 모터 측면에서는 변형된 매입형 영구자석 동기전동기로 볼 수 있으며 회전자 내에 2층의 영구자석 배치와 에어 - 베리어의 효과적 설계로 성능을 향상시켰다. 폭스바겐 역시 BMW i3를 견제하여 e-골프 전기차를 양산하였는데 모터는 HSM과 거의 유사한 방식으로 설계되어 있다 <그림 5>. 르노(리널트)의 경우 플루언스 Z.E. 전기차를 출시하면서 영구자석을 사용하지 않는 권선계자형 동기전동기(WFSM)를 탑재하였다. 희토류 영구자석을 사용하는 IPMSM의 경우 고가이며 고속에서의 제어 특성이 나빠지지만, WFSM의 경우 회전자의 자기장을 전류로 제어를 할 수 있어 고속 제어에 유리한 면이 있다. 그러나 출력밀도 및 효율이 모두 낮아지는 단점도 존재한다.
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국내
2009년 현대자동차에서 개발된 국내 최초 하이브리드 자동차 ‘LPi 아반테 하이브리드’를 시초로, 2011년 쏘나타 HEV와 K5 HEV를 통해 전기차 양산 기술을 확보하였다. 현재는 소울 EV와 로닉 EV에 80kW급 IPMSM 모터를 이용하여 순수 배터리 전기차의 양산과 그 기술력을 세계에 입증하였다. 그 외 쌍용 자동차에서는 티볼리 EV의 개발이 진행되고 있다.
모터 기술개발 전망
1회 충전 주행거리 향상을 위한 구동시스템의 평균효율 향상
전기차 구동시스템으로서의 유도전동기는 안정된 약계자 제어 특성으로 고속 운전시 상대적으로 효율이 우수하나, 저속 운전시 역률 및 효율이 저하되어 도심주행에서는 불리하다. 매입형 영구자석동기모터(IPMSM)의 경우, 유도전동기에 비해 넓은 운전영역에서의 고효율이 가능하지만 고속 시의 약계자 제어특성이 불리하고 토크리플이 상대적으로 커서 10,000rpm 이상의 초고속 설계가 매우 어렵다. 전기차용 구동시스템은 기계적 변속기 없이 인버터에 의한 벡터 제어 기법으로 고속 운전특성을 구현할 수 있지만, 평균효율 향상을 위해 2단변속 시스템을 탑재하여 고효율 운전영역을 확대하는 구동시스템 연구가 필요하다.
출력밀도 향상
구동속도를 증가시키면 소형 고출력의 구동모터 설계가 가능하다. 현재 영구자석전동기는 10,000rpm이 최대운전속도로 제한되고 있으며, 유도전동기는 13,000rpm 정도의 최대 운전속도가 가능하다. 최대운전속도 증가로 인한 시스템 경량화가 가능하기 위해서는 베어링, 감속기 등의 기계부품의 신뢰성과 전력변환시스템의 고속 스위칭 소자류의 적용 기술 및 전동기의 소음 진동, 손실 저감 기술 등이 필요하다. 같은 사이즈의 구동시스템이라 해도 냉각 성능이 우수한 제품은 출력밀도를 높일 수 있으며, 기존 하우징의 수냉식 냉각 유로 방식을 넘어서는 냉각구조 및 냉매를 이용한 효율적 냉각시스템 개선이 요구된다. 최근 평각동선을 사용하여 전동기 슬롯의 고점적률을 달성한 고출력밀도 전동기가 개발되고 있으며, 평각동선을 감기위한 권선기 및 결선파트에 대한 제작 공법이 요구되고 있다.
희토류 영구자석 사용량의 최소화
매입형 영구자석 전동기(IPMSM)의 희토류 영구자석은 고가이며, 가격의 변동 또한 크기때문에 시장의 안정적 보급을 위해 희토류 자석을 최소화하는 IPMSM의 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 전기구동시스템 연구가 필요하다. 또한 희토류 성분 중 Dy(디스프로슘)을 최소화하면서 영구자석의 감자내력을 극대화하는 전동기의 시장 진입이 요구된다.
전동기, 인버터, 감속기 일체형 구동시스템
모터, 인버터, 기어부의 일체형 구동시스템 연구로 컴팩트화가 필요함. 하네스 없이 부스바에 의한 결선으로 배터리 전원 전압의 이용 극대화와 전자파 최소화를 실현할 수 있으며, 하우징의 공유로 최적의 냉각기술이 적용되어 출력밀도 최대화가 가능하다.
각주
- ↑ 현대자동차그룹, 〈쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《HMG JOURNAL 홈페이지》, 2020-03-16
- ↑ 포스코 , 〈전기차 구동모터〉, 《포스코 제품 홈페이지》
- ↑ 팀워크 글로벌 그룹, 〈차량 구동 모터 개발 역사〉, 《팀워크 글로벌 그룹 롬페이지》, 2018-12-29
- ↑ 김기찬 교수, 〈[전기자동차 구동용 모터의 기술현황 및 이슈]〉, 《오토저널》, 2017-02
- ↑ 현대 모비스, 〈[구동모터]〉, 《현대모비스 홈페이지》, 2017-02
- ↑ 포스코 , 〈전기차 구동모터〉, 《포스코 제품 홈페이지》
- ↑ 현대자동차그룹, 〈쉽게 알아보는 전기차의 구동 원리〉, 《HMG JOURNAL 홈페이지》, 2020-03-16
- ↑ 로옴, 〈모터 회전 원리 (1)〉, 《로옴 홈페이지》,
- ↑ 김기찬 교수, 〈[전기자동차 구동용 모터의 기술현황 및 이슈]〉, 《오토저널》, 2017-02
추가 자료
직접 구동 모터
직접 구동 모터(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 발진기)의 출력을 분주하여 이상기에 의해서 3상 교류를 만들어 3상 모터에 공급하는 것이다. 모터에 부착된 검출기에 의해 회전수(주파수)를 검출하여 VFO의 주파수와 비교해서 회전수가 세트한 값으로 되도록 VFO의 발진 주파수가 제어된다. 이상과 같은 회로는 모두 모터 속에 내장되어 있다.
그린카용 핵심 공용부품의 기술 요구 사항
<구동모터>
- 현재 하이브리드차 및 수소연료전지차, 플러그인 차,전기차 등의 대용량 전기 파워 트레인을 고려할 때, 고출력 모터 설계 기술 확보가 우선적으로 요구되며, 인-휠 타입과 동력 축 직+간접 연결형 구동모터를 정해진 공간 제약 하에서도 높은 출력밀도를 갖도록 개발함으로써 차량 전체 시스템의 컴팩트화 효윻성 증진 등의 목표를 달성할 수 있다.
- 고출력 밀도 달성을 위해서는 높은 에너지밀도를 지닌 영구자석형 구동모터를 기본방향으로 개발할 필요가 있으며, 특히 영구자석 매입형 동기 전동기형 구동모터는 영구자석 지속에 의한 토크와 더불어 추가적인 릴럭턴스 토크를 활용할 수 있어 고출력화에 유리한 것으로 판단된다.
- 유도형 모터는 영구자석형 모터에 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 픅면에서 유리하며, 고가의 영구자석을 사용하지 않기 때문에 저가격화 측면에서 장점이 존재한다.
- 그린카용 구동모터는 출력이 높고, 고 전류가 통전되기 때문에 일반적인 모터 설계구조와는 차별화된 컴팩트한 모터 구조 설계기술이 요구되며, 이를 위한 핵심 기술로 저 손실 코어 선정, 적층 공법을 고려한 자기구조 설계기술, 대전류 통전시 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 중간형태의 신개념 모터의 출현을 기대한다.
참고자료
같이 보기
- ↑ 월간전자기술 편집위원회, 〈직접 구동 모터〉, 《네이버 전자용어사전》, 1995-03-01
- ↑ soclsrnwlsl, 〈그린카용 핵심 공용 부품기술 요구사항 구동모터...(생략)〉, 《블로그(soclsrnwlsl)》, 2016-10-23
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