친환경 자동차 구동용 유도전동기 기술개발 동향
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2013-12-02 01:27:51 |
본문
1. 서론
2005년 온실가스 저감 규제 시행에 따라 완성차∙자동차 부품 산업 분야에서 친환경 자동차 및 관련 부품의 연구개발 및 실용화가 활발히 진행되고 있다. 친환경 자동차로는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기차(Battery Electric Vehicle, BEV) 그리고 수소연료전지차(Fuelcell Electric Vehicle, FCEV)와 같은 저공해 혹은 무공해 자동차들이 검토 중에 있다.
글 / 조현규 (현대모비스)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 10월호
HEV, EV 및 FCEV는 전기에너지를 동력원으로 사용하며, 전동기를 이용하여 저장 또는 생산되는 전기에너지를 기계에너지로 변환한다는 공통점을 가지고 있다. 현재 친환경 자동차 구동용으로 적용되고 있는 구동전동기로는 크게 영구자석을 사용하는 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 유도전동기(Induction Motor, IM) 그리고 권선형 동기전동기가 있다.
각각의 구동전동기가 가지는 장단점이 분명하여 적용되는 차량 타입 및 차량의 운전조건 등에 따라 각 자동차 OEM에서는 선택적으로 적용하고 있다. 동기전동기는 유도전동기에 비하여 출력밀도를 높일 수 있어 소형경량화가 가능하며 고효율의 장점을 가지고 있다. 그러나 주로 희토류 금속을 사용하는 영구자석을 사용하고 있기 때문에 상대적으로 높은 재료비가 단점으로 부각된다. 또한 최근 국제적으로 자원전쟁의 대표적인 이슈로 떠오르고 있는 희토류 금속의 수급 불안정이 영구자석의 가격뿐만 아니라 수급 문제로 확대될 수 있다는 우려가 대두되었다.
이러한 이유로 친환경 자동차 메이커 중심으로 희토류 금속을 사용하지 않는 구동전동기에 대한 연구개발과 양산 적용 사례가 나타나고 있으며, 유도전동기와 권선형 동기전동기가 그 사례이다. 표 1은 유도전동기를 구동전동기로 적용하는 사례를 나타내고 있다.
친환경 자동차용 구동전동기로서 유도전동기는 2000년 이후 꾸준히 적용되어 왔으며, 특히 HEV 대비 상대적으로 구동전동기의 패키지 여유를 확보하고 있는 BEV 또는 FCEV를 대상으로 적용되고 있다. 국내에서는 2013년 현대자동차의 투싼iX 수소연료전지차에 100kW급 유도전동기가 양산 적용되었으며, 테슬라의 전기 스포츠카인 로드스터 역
시 유도전동기를 구동전동기로 사용하고 있다.
2. 친환경 자동차 구동용 유도전동기 개발동향과 과제
친환경 자동차용 구동전동기의 개발동향을 이해하기 위해서는 기존 산업분야에서는 고려되지 않는 특수한 기술적 사양들이 요구되는 자동차 환경에 대한 고찰이 우선 되어야 한다. 차량 장착공간에 있어 여타의 자동차 부품과 마찬가지로 한정된 공간에 요구 출력용량의 전동기가 장착 가능하여야 하므로, 친환경 자동차용 구동전동기는 기존 산업분야의 전동기 대비 높은 수준의 전력밀도(단위부피당 전력용량, Power Density)와 차량의 목표 중량을 달성하기 위한 비출력(단위 중량당 전력용량, Specific Power) 특성이 요구되고 있으며, 온∙습도, 진동 및 충격 등과 같은 가혹한 자동차 환경조건에서도 기능과 내구 성능이 보장되어야 한다. 이는 통상적인 자동차의 주행연한을 고려한 10년 이상의 장기적인 수명 보장을 의미하는 것이다.
이를 위하여 다양한 기술적 해결방안들이 모색되고 있으며, 주요 기술 항목은 전동기 내부 부품인 고정자 및 회전자의 동손(Copper Loss)의 저감, 전기강판 및 전동기 동작 특성에 따른 철손(Iron Loss)의 저감, 그리고 이러한 열 손실에 따른 전동기의 온도상승을 억제하기 위한 냉각 방식 개발로 요약할 수 있다.
2.1 동손 저감(고정자)
친환경 자동차용 구동전동기에서 효율은 내연기관 차량의 연비에 해당하는 개념으로 성능과 직결되는 가장 중요한 지표이다. 따라서 개발자들은 전동기의 효율을 증대시키기 위해 발생 손실의 대부분을 차지하고 있는 동손(銅損) 저감에 대하여 연구역량을 집중하고 있다. 그 중 유도전동기 고정자의 권선은 제어기로부터 전압, 전류를 공급받아 전동기 구동에 필요한 회전자계를 발생시키는 역할을 하며, 이때 대전류 입력에 의한 열 손실이 발생된다. 이러한 열 손실을 저감하는 방안으로 제시되고 있는 방법은 권선의 점적율 향상이다.
점적율이란 고정자 슬롯의 면적에서 권선이 차지하는 비중을 말하는데, 점적율을 높이면 동일한 부하조건에서 고정자 권선의 전류밀도가 저감되어 동손이 저감되는 효과를 얻을 수 있다. 최근 권선기술의 발전에 따라 환선(원형코일)을 이용한 제조 점적율은 90% 이상 수준까지 도달하였으나, 점적율 증가에 따라 권선 불량의 비중이 현격하게 증가하는 역효과가 발생되고 있다. 그런 이유로 검토되는 있는 기술이 헤어핀을 적용한 권선방식이다. 헤어핀 권선방식이란 기존 철도차량용 대형전동기에 많이 사용하고 있는 권선방식으로 사각 권선을 헤어핀 모양으로 성형하여 슬롯에 삽입 후 용접하는 권선방법을 말한다. 실제 국내에서 이러한 헤어핀 권선방식을 적용하여 점적율 향상을 통한 전동기의 효율을 약 1~2% 상승시킨 사례도 있다.
2.2 동손 저감(회전자)
유도전동기 회전자의 경우 고정자와는 달리 밀폐된 전동기 내부에 위치하여 직접적인 냉각이 어렵다. 이로 인해 장시간 운전 조건에서 회전자의 온도가 높아질 수 있으며, 주변 부품에 열충격을 주어 전동기의 내구성능 저하를 발생시킬 수 있다. 그러므로 유도전동기의 회전자의 손실 저감은 효율 향상 이외 내구성 확보라는 측면에서도 중요하다고 하겠다.
가장 대표적으로 추진되는 회전자 손실 저감 내용은 전동기 회전자의 도체바 재질을 기존 알루미늄에서 동(銅)으로 변경하는 것이며, 검토되고 있는 주요 내용으로는 동(Copper) 다이캐스팅과 동바(Copper Bar)브레이징 기술이 있다. 적용 시 많은 이점을 가질 수 있는 동 다이캐스팅의 경우 이미 산업분야에서 고효율 유도전동기 개발의 일환으로 진행되어 왔으나, 기존 알루미늄 대비 동의 녹는점인 1,083℃ 이상의 고온에서 작업을 하여야 하는 특수성으로 주조 금형의 파손과 회전자 내부에 다량의 기공이 발생하는 기술적 문제를 가지고 있다.
표 2는 알루미늄과 동바를 적용한 유도전동기의 개발 효과 및 재질 물성치를 나타내고 있다. 기존 대비 동바를 적용한 유도전동기는 도전율 상승으로 인해 효율측면에서 약 0.6% 이상 증대되며, 마찬가지로 금속의 밀도 차이에 의해 회전자 중량 또한 3배 이상 증가하게 된다. 친환경 자동차용 유도전동기의 경우 차량 장착공간 확보에 중점을 두어 출력밀도 및 효율 증대 보다는 사이즈를 감소하는 데 중점을 두고 있다. 동(銅) 적용 유도전동기의 경우 기존 대비 약 15% 이상의 사이즈 감소가 가능한 것으로 예상된다.
하지만 회전자의 도체 재질을 변경하는 것은 긍정적인 효과만 있는 것이 아니다. 재질 밀도 증가에 따른 역효과도 예상해 볼 수 있는 데, 동(銅) 적용 전동기의 고속 운전 조건에서의 회전자 슬롯 내 응력 집중이 그것이다.
이러한 이유에서 고속 회전 시 예상되는 이탈력에 대한 구조 강도 보완이 필요하며, 회전자 코어 슬롯의 리브(Rib) 두께 증대, 슬롯 형상의 재설계 및 회전자 양 끝단(엔드부)에 리테이너 링을 추가하는 방안들이 모색되고 있다.
2.3 철손 저감
전동기의 손실 중 동손 다음으로 가장 큰 비중을 차지하는 것은 철손이다. 철손은 전기강판에서 시간에 따른 자화력의 변화에 의해 발생하는 손실로 자계의 세기, 주파수 및 재료에 따라 큰 영향을 받는다. 철손은 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)과 와전류 손실(Eddy Current Loss)로 분리할 수 있으며 전동기에서는 와전류 손실을 저감시키기 위한 방안으로 고정자/회전자 코어에는 규소강판을 적층하여 제작한다. 이때 적층되는 강판의 두께가 얇을수록 와전류 손실은 저감되지만 두께가 줄어들수록 강판 가격은 증가하게 된다.
그림 5는 차량용에서는 주로 사용되는 0.35t 과 0.30t 두께의 전기강판에 대한 비교자료이며, 400Hz주파수에서 0.35t 대비 0.30t 강판의 철손(W/kg)이 약 15% 저감되는 것을 보여준다. 이와 같은 철손저감의 일환으로 최근에는 0.25t 강판이 적용된 전동기도 양산되고 있다. 친환경 자동차용 구동전동기 주도로 저손실 전기강판에 대한 수요가 증가하면서 개발된 강판을 사용하는 기존 방식에서 개발하는 전동기의 특성과 성능을 고려한 특수한 강판을 주문 제작하는 방식으로 강판 선택의 기준도 변화하고 있는 추세이다.
2.4 냉각성능 개선
유도전동기의 하우징은 내부의 전기적 손실에 의해 발생되는 발열을 차량 냉각시스템과 연결되어 효과적으로 외부로 냉각시킬 수 있는 구조적 특징을 가지고 있다. 이는 전동기 하우징의 냉각채널 형상설계와 방열특성에 있어 열저항을 최소화하는 설계를 통하여 가능하다.
종래의 방법은 하우징 내피와 외피를 각각 설계하여 냉각채널를 구성하는 방식으로 조립 시 하우징 내피와 외피 사이에서 열 접촉저항의 증대를 피할 수 없는 구조이다. 이로 인해 전동기의 내부 발열에 대하여 발열부와 직접 접촉되는 하우징 내피에서 주로 냉각이 이루어 지는 반면, 열 접촉저항의 증대로 인해 하우징 외피로의 열 전달이 감소하는 단점이 있었다.
최근 친환경 자동차용 구동전동기에 적용되고 있는 일체형 하우징은 기존 방식과 달리 냉각채널을 중자방식으로 설계 및 제작하므로, 내∙외피간의 열 접촉저항이 없고, 하우징 표면적을 이용한 방열효과를 극대화할 수 있으며, 또한 냉각 채널에 대한 형상 설계 및 유동 해석을 통하여 채널 수 증감 및 채널 내 돌기 구조적용 등 추가적인 냉각성능 개선 설계가 가능하게 되었다. 현재 이러한 열전달 저항을 줄이면서 강성을 확보되는 구조 및 재료에 대한 개발이 지속적으로 진행 중에 있다.
3. 결론
현재 친환경 자동차에 있어 공간제약을 가장 많이 받고 있는 HEV에는 당분간 영구자석형 동기전동기가 적용될 것으로 예상되고 있으나, 희토류 금속의 가격 인상에 따른 영구자석의 가격 저하를 위한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 그 외의 BEV, FCEV와 같은 상대적으로 공간제약이 적은 친환경 자동차에는 유도전동기의 적용이 적극 검토되고 있으므로, 본 고에 언급된 유도전동기의 손실저감을 통한 효율 향상, 사이즈 축소 및 냉각성능 개선 등의 지속적인 기술향상 노력이 필요할 것으로 사료된다.
2005년 온실가스 저감 규제 시행에 따라 완성차∙자동차 부품 산업 분야에서 친환경 자동차 및 관련 부품의 연구개발 및 실용화가 활발히 진행되고 있다. 친환경 자동차로는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기차(Battery Electric Vehicle, BEV) 그리고 수소연료전지차(Fuelcell Electric Vehicle, FCEV)와 같은 저공해 혹은 무공해 자동차들이 검토 중에 있다.
글 / 조현규 (현대모비스)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 10월호
HEV, EV 및 FCEV는 전기에너지를 동력원으로 사용하며, 전동기를 이용하여 저장 또는 생산되는 전기에너지를 기계에너지로 변환한다는 공통점을 가지고 있다. 현재 친환경 자동차 구동용으로 적용되고 있는 구동전동기로는 크게 영구자석을 사용하는 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 유도전동기(Induction Motor, IM) 그리고 권선형 동기전동기가 있다.
각각의 구동전동기가 가지는 장단점이 분명하여 적용되는 차량 타입 및 차량의 운전조건 등에 따라 각 자동차 OEM에서는 선택적으로 적용하고 있다. 동기전동기는 유도전동기에 비하여 출력밀도를 높일 수 있어 소형경량화가 가능하며 고효율의 장점을 가지고 있다. 그러나 주로 희토류 금속을 사용하는 영구자석을 사용하고 있기 때문에 상대적으로 높은 재료비가 단점으로 부각된다. 또한 최근 국제적으로 자원전쟁의 대표적인 이슈로 떠오르고 있는 희토류 금속의 수급 불안정이 영구자석의 가격뿐만 아니라 수급 문제로 확대될 수 있다는 우려가 대두되었다.
이러한 이유로 친환경 자동차 메이커 중심으로 희토류 금속을 사용하지 않는 구동전동기에 대한 연구개발과 양산 적용 사례가 나타나고 있으며, 유도전동기와 권선형 동기전동기가 그 사례이다. 표 1은 유도전동기를 구동전동기로 적용하는 사례를 나타내고 있다.
친환경 자동차용 구동전동기로서 유도전동기는 2000년 이후 꾸준히 적용되어 왔으며, 특히 HEV 대비 상대적으로 구동전동기의 패키지 여유를 확보하고 있는 BEV 또는 FCEV를 대상으로 적용되고 있다. 국내에서는 2013년 현대자동차의 투싼iX 수소연료전지차에 100kW급 유도전동기가 양산 적용되었으며, 테슬라의 전기 스포츠카인 로드스터 역
시 유도전동기를 구동전동기로 사용하고 있다.
2. 친환경 자동차 구동용 유도전동기 개발동향과 과제
친환경 자동차용 구동전동기의 개발동향을 이해하기 위해서는 기존 산업분야에서는 고려되지 않는 특수한 기술적 사양들이 요구되는 자동차 환경에 대한 고찰이 우선 되어야 한다. 차량 장착공간에 있어 여타의 자동차 부품과 마찬가지로 한정된 공간에 요구 출력용량의 전동기가 장착 가능하여야 하므로, 친환경 자동차용 구동전동기는 기존 산업분야의 전동기 대비 높은 수준의 전력밀도(단위부피당 전력용량, Power Density)와 차량의 목표 중량을 달성하기 위한 비출력(단위 중량당 전력용량, Specific Power) 특성이 요구되고 있으며, 온∙습도, 진동 및 충격 등과 같은 가혹한 자동차 환경조건에서도 기능과 내구 성능이 보장되어야 한다. 이는 통상적인 자동차의 주행연한을 고려한 10년 이상의 장기적인 수명 보장을 의미하는 것이다.
이를 위하여 다양한 기술적 해결방안들이 모색되고 있으며, 주요 기술 항목은 전동기 내부 부품인 고정자 및 회전자의 동손(Copper Loss)의 저감, 전기강판 및 전동기 동작 특성에 따른 철손(Iron Loss)의 저감, 그리고 이러한 열 손실에 따른 전동기의 온도상승을 억제하기 위한 냉각 방식 개발로 요약할 수 있다.
2.1 동손 저감(고정자)
친환경 자동차용 구동전동기에서 효율은 내연기관 차량의 연비에 해당하는 개념으로 성능과 직결되는 가장 중요한 지표이다. 따라서 개발자들은 전동기의 효율을 증대시키기 위해 발생 손실의 대부분을 차지하고 있는 동손(銅損) 저감에 대하여 연구역량을 집중하고 있다. 그 중 유도전동기 고정자의 권선은 제어기로부터 전압, 전류를 공급받아 전동기 구동에 필요한 회전자계를 발생시키는 역할을 하며, 이때 대전류 입력에 의한 열 손실이 발생된다. 이러한 열 손실을 저감하는 방안으로 제시되고 있는 방법은 권선의 점적율 향상이다.
점적율이란 고정자 슬롯의 면적에서 권선이 차지하는 비중을 말하는데, 점적율을 높이면 동일한 부하조건에서 고정자 권선의 전류밀도가 저감되어 동손이 저감되는 효과를 얻을 수 있다. 최근 권선기술의 발전에 따라 환선(원형코일)을 이용한 제조 점적율은 90% 이상 수준까지 도달하였으나, 점적율 증가에 따라 권선 불량의 비중이 현격하게 증가하는 역효과가 발생되고 있다. 그런 이유로 검토되는 있는 기술이 헤어핀을 적용한 권선방식이다. 헤어핀 권선방식이란 기존 철도차량용 대형전동기에 많이 사용하고 있는 권선방식으로 사각 권선을 헤어핀 모양으로 성형하여 슬롯에 삽입 후 용접하는 권선방법을 말한다. 실제 국내에서 이러한 헤어핀 권선방식을 적용하여 점적율 향상을 통한 전동기의 효율을 약 1~2% 상승시킨 사례도 있다.
2.2 동손 저감(회전자)
유도전동기 회전자의 경우 고정자와는 달리 밀폐된 전동기 내부에 위치하여 직접적인 냉각이 어렵다. 이로 인해 장시간 운전 조건에서 회전자의 온도가 높아질 수 있으며, 주변 부품에 열충격을 주어 전동기의 내구성능 저하를 발생시킬 수 있다. 그러므로 유도전동기의 회전자의 손실 저감은 효율 향상 이외 내구성 확보라는 측면에서도 중요하다고 하겠다.
가장 대표적으로 추진되는 회전자 손실 저감 내용은 전동기 회전자의 도체바 재질을 기존 알루미늄에서 동(銅)으로 변경하는 것이며, 검토되고 있는 주요 내용으로는 동(Copper) 다이캐스팅과 동바(Copper Bar)브레이징 기술이 있다. 적용 시 많은 이점을 가질 수 있는 동 다이캐스팅의 경우 이미 산업분야에서 고효율 유도전동기 개발의 일환으로 진행되어 왔으나, 기존 알루미늄 대비 동의 녹는점인 1,083℃ 이상의 고온에서 작업을 하여야 하는 특수성으로 주조 금형의 파손과 회전자 내부에 다량의 기공이 발생하는 기술적 문제를 가지고 있다.
표 2는 알루미늄과 동바를 적용한 유도전동기의 개발 효과 및 재질 물성치를 나타내고 있다. 기존 대비 동바를 적용한 유도전동기는 도전율 상승으로 인해 효율측면에서 약 0.6% 이상 증대되며, 마찬가지로 금속의 밀도 차이에 의해 회전자 중량 또한 3배 이상 증가하게 된다. 친환경 자동차용 유도전동기의 경우 차량 장착공간 확보에 중점을 두어 출력밀도 및 효율 증대 보다는 사이즈를 감소하는 데 중점을 두고 있다. 동(銅) 적용 유도전동기의 경우 기존 대비 약 15% 이상의 사이즈 감소가 가능한 것으로 예상된다.
하지만 회전자의 도체 재질을 변경하는 것은 긍정적인 효과만 있는 것이 아니다. 재질 밀도 증가에 따른 역효과도 예상해 볼 수 있는 데, 동(銅) 적용 전동기의 고속 운전 조건에서의 회전자 슬롯 내 응력 집중이 그것이다.
이러한 이유에서 고속 회전 시 예상되는 이탈력에 대한 구조 강도 보완이 필요하며, 회전자 코어 슬롯의 리브(Rib) 두께 증대, 슬롯 형상의 재설계 및 회전자 양 끝단(엔드부)에 리테이너 링을 추가하는 방안들이 모색되고 있다.
2.3 철손 저감
전동기의 손실 중 동손 다음으로 가장 큰 비중을 차지하는 것은 철손이다. 철손은 전기강판에서 시간에 따른 자화력의 변화에 의해 발생하는 손실로 자계의 세기, 주파수 및 재료에 따라 큰 영향을 받는다. 철손은 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)과 와전류 손실(Eddy Current Loss)로 분리할 수 있으며 전동기에서는 와전류 손실을 저감시키기 위한 방안으로 고정자/회전자 코어에는 규소강판을 적층하여 제작한다. 이때 적층되는 강판의 두께가 얇을수록 와전류 손실은 저감되지만 두께가 줄어들수록 강판 가격은 증가하게 된다.
그림 5는 차량용에서는 주로 사용되는 0.35t 과 0.30t 두께의 전기강판에 대한 비교자료이며, 400Hz주파수에서 0.35t 대비 0.30t 강판의 철손(W/kg)이 약 15% 저감되는 것을 보여준다. 이와 같은 철손저감의 일환으로 최근에는 0.25t 강판이 적용된 전동기도 양산되고 있다. 친환경 자동차용 구동전동기 주도로 저손실 전기강판에 대한 수요가 증가하면서 개발된 강판을 사용하는 기존 방식에서 개발하는 전동기의 특성과 성능을 고려한 특수한 강판을 주문 제작하는 방식으로 강판 선택의 기준도 변화하고 있는 추세이다.
2.4 냉각성능 개선
유도전동기의 하우징은 내부의 전기적 손실에 의해 발생되는 발열을 차량 냉각시스템과 연결되어 효과적으로 외부로 냉각시킬 수 있는 구조적 특징을 가지고 있다. 이는 전동기 하우징의 냉각채널 형상설계와 방열특성에 있어 열저항을 최소화하는 설계를 통하여 가능하다.
종래의 방법은 하우징 내피와 외피를 각각 설계하여 냉각채널를 구성하는 방식으로 조립 시 하우징 내피와 외피 사이에서 열 접촉저항의 증대를 피할 수 없는 구조이다. 이로 인해 전동기의 내부 발열에 대하여 발열부와 직접 접촉되는 하우징 내피에서 주로 냉각이 이루어 지는 반면, 열 접촉저항의 증대로 인해 하우징 외피로의 열 전달이 감소하는 단점이 있었다.
최근 친환경 자동차용 구동전동기에 적용되고 있는 일체형 하우징은 기존 방식과 달리 냉각채널을 중자방식으로 설계 및 제작하므로, 내∙외피간의 열 접촉저항이 없고, 하우징 표면적을 이용한 방열효과를 극대화할 수 있으며, 또한 냉각 채널에 대한 형상 설계 및 유동 해석을 통하여 채널 수 증감 및 채널 내 돌기 구조적용 등 추가적인 냉각성능 개선 설계가 가능하게 되었다. 현재 이러한 열전달 저항을 줄이면서 강성을 확보되는 구조 및 재료에 대한 개발이 지속적으로 진행 중에 있다.
3. 결론
현재 친환경 자동차에 있어 공간제약을 가장 많이 받고 있는 HEV에는 당분간 영구자석형 동기전동기가 적용될 것으로 예상되고 있으나, 희토류 금속의 가격 인상에 따른 영구자석의 가격 저하를 위한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 그 외의 BEV, FCEV와 같은 상대적으로 공간제약이 적은 친환경 자동차에는 유도전동기의 적용이 적극 검토되고 있으므로, 본 고에 언급된 유도전동기의 손실저감을 통한 효율 향상, 사이즈 축소 및 냉각성능 개선 등의 지속적인 기술향상 노력이 필요할 것으로 사료된다.
