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일본의 희토류 저감형 전동기 및 영구자석 개발 사례

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-12-05 00:12:59

본문

1. 서론

석유자원의 고갈 및 지구 온난화에 대한 대책으로 고성능 전동기 기술개발에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히, 지구 환경오염에 영향이 큰 자동차산업 부문에서는 하이브리드 자동차(HEV)를 포함하는 그린카 (Green Car)의 양산, 개발이 급속히 진행되고 있다. 하이브리드 자동차 기술의 선두주자인 일본에서는 구동용 전동기로 희토류(Rare-earth) 영구자석을 다량 사용하는 매입식 영구자석형 동기전동기(IPMSM)가 주류를 이루고 있다.

글 / 유세현 (전자부품연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 10월호

그러나 희토류 소재의 산출국과 산출량은 한정되어 있기 때문에 수입에 의존하고 있는 일본은 희토류 소재의 안정적 수급 우려가 제기되었으며, 이를 계기로 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)를 중심으로 탈희토류형 차세대 그린카용 전동기 기술개발을 정책적으로 지원하고 있다. 본 고에서는 이러한 일본의 탈희토류를 위한 전동기 연구사례 및 영구자석 기술개발 동향에 대해 고찰해 본다.

2. 비희토류형 전동기 개발 사례

HEV와 EV의 구동용 전동기는 높은 토크 밀도와 파워 밀도, 그리고 고효율 특성을 갖추어야 한다. IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 영구자석 매입형 동기전동기)은 저속 및 넓은 운전 영역에서 약계자(Field weakening) 제어를 통해 차량에서 요구하는 충분한 토크를 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 본질적으로 강한 자속에 의존하는 IPMSM은 배터리나 인버터에서 사용되는 구성품의 내전압에 의한 전압제한으로 인해 보다 높은 토크와 넓은 속도범위를 동시에 달성하기가 용이하지 않다. 그림 1은 희토류 영구자석을 저감시키기 위해 Nagoya Institute of Technology에서 새롭게 제안한 HEM(Hybrid Excitation Motor)의 구조 및 계자 코일 여자에 따른 주요 자속 경로를 보인다.

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회전자는 종래 하이브리드형 스테핑 모터와 유사하게 N극과 S극 철심 사이에 영구자석이 삽입되어 있으며, 축방향의 양측에는 도넛형 계자 코일을 갖춘 SMC(Soft Material Composites, 연자성분말) 계자 철심이 위치한다. 또한, 계자 코일의 여자에 따른 주요 자속의 경로로 부터 토크 증대 및 약계자 원리를 알 수 있다.

본 전동기는 HEV 차량인 LEXUS400h에 탑재되고 있는 고정자 외경 264mm, 최대출력 123kW@4~5krpm급 IPMSM의 대체를 목표로 하고 있다. 현재 사용가능한 SMC 크기의 이유로 축소모델 제작과 실험을 통해 유용성을 보이고 있는 상황이며, 그림 2는 외경 100mm급 축소모델 시작기 구성품 및 전기자 전류 대비 토크 특성과 속도에 따른 토크 및 출력 특성을 보인다. 제작된 축소모델에 대한 토크 및 출력 특성이 수치해석 결과와 잘 일치함을 보이고 있으며, 이를 통해 제안한 모델이 외경 264mm급으로 설계될 경우 IPMSM 대비 출력밀도 95% 수준, 희토류 영구자석 사용량 50% 이상 저감을 충분히 달성할 수 있을 것으로 보고하고 있다. 그러나 릴럭턴스 토크 증대를 위해 설계된
회전자 구조로 인하여 진동 및 제어 특성이 떨어질 수 있으므로 이를 위한 지속적인 연구가 이루어져야 할 것이다.

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비희토류 소재인 페라이트(Ferrite) 영구자석을 사용한 전동기 연구사례로서는 그림 3에 나타낸 회전자 세그먼트형 액시얼 갭 전동기를 들 수 있다. Hokkaido 대학에서 제안한 이 전동기는 고정자 양측(Double Stator)식 구조며, 회전자는 비 자성체인 스테인리스강으로 이루어진 회전자 지지 부재에 페라이트 영구자석과 분말파우더 철심(Metal Powder Core)이 번갈아 조립된다. 영구자석과 철심이 각각 세그먼트를 형성한다는 점에서 이 회전자 구조를 세그먼트 구조라고 했다.

이러한 구조는 페라이트 자석에 불가역 감자를 발생시키는 강한 계자자속이 영구자석으로 흘러드는 것을 억제할 수 있으며, 페라이트 영구자석의 약한 자력 특성으로 인해 크게 감소하는 마그네틱 토크(Magnetic Torque)를 보충하기 위해 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 유효하게 발생시킬 수 있어 고출력을 실현할 수 있다. 제안한 전동기의 실험적 성능고찰을 위해 시판되고 있는 프리우스 2세대 차량에 탑재된 전동기와 같은 사이즈의 고정자 외경 269mm, 축 길이 155mm, 공극 길이 1mm인 시험기를 설계∙제작했으며, 실험을 통해 최고출력 51.3kW, 최대효율 94.3% 특성을 확인하였다. 또한 최근에 발표된 자료에 의하면 프리우스 3세대 차량의 60kW급 IPMSM 전동기를 대상으로 설계된 전동기의 특성해석 결과 동일한 크기에서 2배에 해당하는 403.8Nm의 최대 토크를 가질 수 있으며, 이는 1.95배 높은 토크 밀도를 보이는 것으로서 제안한 모터가 실용화를 위해 충분한 성능을 갖추었다는 결론을 내리고 있다.

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페라이트 영구자석을 사용하는 또다른 전동기 분야의 연구로서는 종래 클로-폴(Claw-pole)형 전동기에 약간의 페라이트 영구자석을 넣어 자기회로적으로 우수한 성능을 구현할 수 있는 연구사례를 들 수 있다.

그림 4는 Mitsubishi에서 개발하고 있는 ISG(Integrated Starter Generator)용 클로-폴형 전동기 구조와 출력특성을 보인다. 자속이 집속되어 포화특성이 심한 종축 요크부분의 포화억제를 위해 페라이트 영구자석을 넣어 자기포화를 감소시켰다. 이로부터 최대 100Nm의 토크 발생이 가능하였으며, 4Nm/kg의 토크밀도를 가짐을 확인하였다. 이것은 IPMSM 전동기 토크 밀도 5Nm/kg에 비하여 약 80% 수준으로써, 경량화를 위한 지속적인 연구를 통해 고출력밀도화를 이룰 것으로 기대하고 있다.

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한편, 영구자석을 사용하지 않는 대표적인 전동기로서 최근에 SRM(Switched Reluctance Motor)에 대한 관심이 고조되고 있다. SRM은 신구조 타입의 전동기는 아니지만, 고속화에 유리하고 무엇보다도 양산에 유리하여 생산단가를 낮출 수 있는 장점이 있으므로 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 현재까지의 연구결과를 살펴보면, HEV 용도의 수십 kW급 개발사례에서는 IPMSM에 비교해 체적이 좀 더 크고 토크
밀도 측면에서 불리한 것으로 분석된다.

대표적인 연구사례를 살펴보면, 오스트레일리아의 CSIRO의 SRM은 효율 86%, 토크 밀도는 25Nm/L로 발표하고 있으며, 독일의 아헨공과대학의 SRM의 경우 출력은 67kW, 토크 밀도는 약 37Nm/L 수준이다.

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또한, 포드와 MIT가 개발한 SRM은 순시정격에 전류밀도 50A/mm2의 높은 전류밀도로 출력밀도 45N/mL를 얻어내어 IPMSM과 동등한 수준에 이르고 있으나 효율은 90%, 출력은 8kW 수준인 것으로 조사되고 있다. 이렇듯 현재까지는 IPMSM과 동등한 크기로 전류밀도가 20~30A/mm2, 토크 밀도 45N/mL, 출력 50kW 이상을 동시에 달성했다는 연구결과는 보고된 바 없다.

그러나 최근에 일본 도쿄 대학에서 NEDO의 정책적 지원연구결과로 토요타 프리우스 1세대 HEV 트랙션 모터와 동일한 사이즈의 SRM을 설계하고 전기강판 재질에 따른 특성을 분석하는 등, 실제 50kW 이상의 성능분석을 통해 SRM의 고효율 운전의 유용성을 IPMSM과 비교 분석하여 트랙션 모터로의 활용 가능성을 제시하였다.

그림 5는 일본 Mitsubishi에서 두께 0.35mm,35JN300 범용 규소강판을 이용하여 설계한 50kW급 SRM의 구조 및 효율맵을 보인다. 실험 결과로부터 IPMSM과 동등한 토크 밀도 45Nm/L를 전류밀도 24A/mm2로 실현하였으며, 50kW의 IPMSM과 같은 외형으로 70kW 혹은 그 이상의 출력이 가능하다는 것을 실험적으로 밝혔다. 최대 토크는 15%가 향상되었으며, 최고 효율은 3% 저하되었으나 효율 90% 이상의 영역이 IPMSM보다 광범위하다는 것을 확인한 것으로 보고되고 있다.

3. 희토류 소재 저감형 영구자석 개발사례

Nd-Fe-B계열 소결 영구자석의 원료로는 Nd 외에 높은 내열성을 위해서는 디스프로슘(Dy)이나 테르븀(Tb)이라는 희토류가 필요하다. HEV 및 EV용 주행 모터의 경우 Nd-
Fe-B 소결자석에는 Nd, Dy, Tb가 합해서 자석 전체의 약 30%를 차지한다. 고내열형에는 Nd가 약 20%이고, Dy가 약 10%의 구성비를 차지하게 되며, 이러한 Dy와 Tb는’중희토류’라고 불리는 희토류 중에서도 특히 희소한 자원으로서 Dy가 지각에 존재하는 양은 Nd의 10~20%, Tb는 약 2~4%로 추산되고 있다.

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이러한 Dy 저감에 관한 연구로서는 NEDO의‘희소금속 대체기술 개발’프로젝트의 토호쿠 대학 등이 수행하고 있는‘Dy 사용량 절감 기술개발’을 들수 있다. Nd-Fe-B 결정체의 미세화∙원료분말 최적화 기술, 계면 나노 구성 제어기술(강자기장 프로세스, 박막 프로세스, 조직제어 등)을 개발하여 한층 고 보자력, 고성능의 Nd-Fe-B계 소결 자석의 개발을 목표로 하고 있다. 네오디늄 자석은 열에 약하여 주상의 Nd2Fe14B 화합물 보자력의 온도계수가 낮아진다. 따라서 주성분인 Nd를 Dy나 Tb로 일부 교체하는 것으로 고온에서의 보자력을 올리고 있다. 예를 들면 현재의 HEV용 자석에서는 고보자력을 얻기 위해 Nd의 약 40%를 Dy로 교체하고 있지만, 주상입자계면의 근방에 선택적 Dy 등을 도입하면 좀더 높은 보자력을 얻을 수 있는 효과가 있다. 이를 위한 공정으로‘입계분산법’이 개발되었다. 이것은 Dy나 Tb를 용해공정상에서 첨가하는 것이 아닌 소결 등의 공정을 거친 소결체 표면에 Dy 등의 화합물 가루를 도포한 다음 가열하여 자석성분과 화합물을 표면에 반응시켜 Dy 등을 자석의 결정입계를 경유하여 소결체 내부에 확산시키는 것이다.

이로 인하여 입계계면 근방에 한층 집중적으로 Dy 등을 분산시킬 수 있으며, 자력의 저하를 동반하지 않고 높은 보자력(내열성)이 향상됨으로 결과적으로는 상당히 적은 양의 Dy 등으로 높은 보자력을 유지할 수 있게 된다. 신에츠화학공업, 히타치금속은 2008년 이후 이 기술을 적용한 Nd-Fe-B 계열 소결자석의 판매를 개시하였으며, TDK 또한 2011년부터 양산을 개시하였다. 신에츠화학공업의 경우 지금까지 사용하던‘2 합금법’에 비해 Dy와 Tb의 사용량을 절반까지 줄인 것으로 조사되고 있다.

한편 Dy를 사용하지 않는 기술연구로서는 문부과학성‘원소전략’프로젝트 내의 히타치 금속을 중심으로 한‘Nano-composite 영구자석 개발’이 대표적이다. 현재 시판되고 있는 통상의 Nd-Fe-B 소결자석의 보자력은 Dy나 Tb 없이는 796kA/m(약 10kOe) 정도로서 그것을 2배로 높여줄 수 있는 것이 이 기술이다.

Nd-Fe-B 계열 소결자석은 통상 주상의 결정 입자 직경이 작을수록 결정 입자 내 자구(磁區)의 자장이 역전되기 어렵게 된다. 결정 입자가 작으면 다자구보다 단자구에 존재한 쪽이 에너지적으로 안정적이기 때문이다. 현재 가능성이 검증되고 있는 단계에 있는 것으로 보이며, 실용화에는 어느 정도의 시간이 걸릴 것으로 보인다.

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아울러, Nd-Fe-B계를 대체할 수 있는 새로운 영구자석 개발로는 동북대학의 질화철(Fe16N2)에 관한 연구와 사마륨-철-질소(Sm-Fe-N) 계열에 관한 연구가 대표적이다. Fe16N2는 포화자속밀도가 높고, 최대 에너지적이 이론치로 약 1035kJ/㎥(130MGOe)로 강력한 자석이 될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 그러나 이방성자계가 낮아 보자력이 떨어지는 문제가 있으며, 실제로 Fe16N2의 보자력은 이론치로 796kA/m (10kOe)여서 낮은 편이다. 또한, 또하나의 연구대상 화합물인 Sm2Fe17Nx(x에는 경우에 따라 다양한 수치가 들어간다)는 보자력이 Nd-Fe-B 계열 재료에 비해 5배 정도로 높다. 그러나 550℃ 이상에서 분해되어 버리기 때문에 현재는 본드자석에 사용될 뿐이다. 접착제가 필요한 만큼 자분의 충진율이 내려가고, 최대 에너지적이 Nd-Fe-B계열 소결자석의 반 이하로 낮다. 현재 Sm2Fe17Nx 자분을 높은 밀도로 굳히는 기술을 지속적으로 연구하고 있다.

4. 결론

본 고에서는 미래 자동차 산업 경쟁력을 좌우할 핵심적 요소기술인 희토류 저감형 전동기 및 영구자석에 대한 일본의 연구사례를 고찰하고 그 기술적 수준을 분석하였다. 중국의 희토류 자원 무기화 정책에 대응할 수 있는 탈희토류형 전동기 기술개발은 자동차 산업뿐만이 아닌 미래의 국가 녹색산업을 견인할 핵심 주제라는 것을 잊지 말아야 할 것이다.
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