글로벌오토뉴스

상단배너
  • 검색
  • 시승기검색

[오토저널] 친환경차량용 구동모터 기술 동향

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-02-19 16:16:00

본문

최근 지구온난화와 같은 환경문제와 함께 에너지 수요의 급속한 증대, 불안정 한 원유 공급, 자원 개발을 둘러싼 국제 분쟁 등과 같은 에너지 수급의 제약 문제로 CO2를 줄이고 화석연료의 사용량을 줄일 수 있는 친환경 기술의 필요성이 대두되어 왔다. 이러한 대외 환경 변화에 따라 자동차 부문은 에너지 자원의 다양화와 에너지 효율의 극적 향상을 꾀하고자 꾸준히 노력해 왔으며, 우리나라를 비롯한 미국과 일본, 유럽, 중국 등 주요국의 연비 배기 규제는 갈수 록 강화되고 있다.

 

친환경 자동차 기술 중 파워트레인의 효율을 높일 수 있는 기술로 1997년 도요타 프리우스를 기점으로 하이브리드 전기자동차(HEV/PHEV)와 2010년 닛산 리프를 기점으로 순수 전기차(EV)가 시장에 출시된 이후 각 차량 메이커별로 꾸준한 기술개발이 진행되어 왔다. 현재 HEV/PHEV는 더 이 상 신기술이 아닌 자동차 파워트레인의 기본 옵션화가 되어 있고 시장에서도 대중화가 되어 있다. 전기자동차는 배출가 스 측면에서 무공해 차량으로 각광을 받고 있고 향후 수요 및 공급이 폭발적으로 늘어날 것으로 예상된다. 주요 메이커 들은 장거리 및 고성능 전기차의 개발을 앞다투어 진행하면서 다가올 전기차 시대를 대비하고 있다. 그러나 국내의 전 기자동차 기술은 관련 인프라 구축상황 등에서 해외 주요국 에 비해 아직 미흡한 상태이다.

 

HEV/PHEV의 파워트레인은 엔진과 구동모터의 동력 합 성 방법에 따라 병렬형과 동력분기형으로 크게 나눌 수 있 다<그림 1>. 병렬형 구조는 현대자동차, BMW 등에서 적용하 고 있고, 동력분기형 구조는 도요타에서 적용하고 있다. 또 한 병렬형과 동력분기형을 조합한 구조는 GM 및 혼다에서 적용하고 있다. 병렬형 구조는 별도의 변속기가 필요하고 변 속기의 넓은 변속비를 사용할 수 있는 장점이 있다.

 

이러한 병렬형 구조의 변속기로는 일반적으로 자동변속기 를 적용하고 있다. 병렬형 구조에서 알 수 있듯이 모터 MG 는 배터리로부터 동력을 받아 변속기(AT, DCT, CVT 등)로 입력되고 엔진의 동력 역시 변속기로 입력되어 두 개의 동력 원이 변속기를 통하여 합성되어 차량을 구동하게 된다. 동력 분기형 구조는 유성기어의 각 멤버(Sun, Ring, Carrier)에 엔 진과 모터 2개(MG1, MG2)가 연결되어 있다. 동력분기형은 도요타 프리우스의 기본적 시스템 구조이며 모터 MG1의 발 전기능을 포함한 엔진 제어가 수행되고, 이 때 엔진의 동력 은 MG1을 통하여 일정량이 분기되고 나머지가 유성기어를 통하여 차량에 공급된다. MG1의 발전동력은 MG2로 바로 공급되며 MG2는 MG1으로부터 공급되는 에너지와 배터리로 부터 공급되는 에너지를 이용하여 차량을 구동한다.

 

<그림 2>는 현대자동차 쏘나타 하이브리드시스템의 구 조로, 6속 자동변속기에 토크컨버터를 삭제하고 그 자리에 38kW/ 205Nm의 구동모터와 엔진클러치(엔진의 동력을 차 단 또는 연결하는 기능을 수행함)를 일체형으로 설계/탑재하여 파워트레인의 효율을 극대화하고 고효율의 연비를 실 현하였다. 이러한 시스템을 TMED(Transmission Mounted Electric Device) 시스템이라고 칭하며 병렬형 하이브리드시스템에 가장 범용적으로 적용되고 있다. 최근에는 변속기 효율을 극대화할 수 있는 DCT가 TMED 하이브리드시스템의 변속기로 적용이 증가되는 추세이다.

 

앞서 말한 바와 같이, HEV/PHEV의 파워트레인에서 구동 모터는 배터리로부터 전기에너지를 공급 받아서 토크를 발 생시키고 차량의 구동 동력을 공급하는 역할을 수행한다.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024

 

HEV/PHEV의 구동모터는 영구자석을 이용한 영구자석형 동기전동기(PMSM)가 주로 적용되고 있으며, 차량 요구성능 에 맞는 고출력화 및 주행거리 증대를 위한 고효율/경량화 는 필수 사항이다. 이를 위하여 고집적/고밀도 권선, 영구자 석 최적배치, 고효율 냉각 시스템 등에 대한 기술개발이 필 요하며, 요구되는 주요 기술로는 고효율 구동 능력(고효율), 중량당 출력 용량 증대(고출력밀도), 냉각 효율 향상, 신뢰성 향상, 차량 탑재를 위한 컴팩트한 구조 등이 있다.

 

 

구동모터 개요

 

전기에너지로부터 전자계를 매개체로 하여 기계에너지로 변환을 통해 구동력을 발생시키기 장치는 회전기기(Rotary Machine) 또는 선형기기(Linear Machine)이다. HEV/PHEV 에 사용되고 있는 구동모터는 회전기로써 대표적인 친환경 에너지변환기기로 연구/개발이 지속적으로 진행되고 있다.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024

 

출력밀도가 높고 광범위한 운전이 가능한 PMSM이 친환경 차용 구동모터로 주로 사용되고 있고 형상에 의해 엔진에 직 결하는 HEV/PHEV용인 팬케익형(Pancake type)이 있다. 구 조를 보면 <그림 3>에서 보여지는 것과 같이 크게 3가지 부분 으로 회전자의 절대위치검출을 위한 레졸버 어셈블리, 전원 공급과 모터를 지지하기 위한 하우징/고정자 어셈블리, 동력 을 발생시키고 전달하는 회전자 어셈블리로 나눌 수 있다.

 

위치센서인 레졸버는 변압기 원리를 이용한 1차측 여자코 일(Exciting coil)과 2차측 2상의 출력코일(Two-phase output coil)으로 구성된 고정자부와 전기 강판으로 적층한 회전자 부를 포함하고 있다. 하우징/고정자 어셈블리는 모터를 지지 하고 변속기/엔진과 결합하는 하우징부와 전기강판이 적층 되어 있고 권선을 포함하고 있는 고정자부, 그리고 구동모터 과온 방지를 위한 온도센서를 포함하고 있다. 회전자 어셈블 리는 동력전달을 위한 샤프트부와 전기강판을 적층 후 영구 자석을 삽입한 회전자부로 구성된다.

 

●구동모터의 타입별 기능별 분류
전기기기는 분류하는 방법에 따라 여러 가지로 나눌 수 있지만 가장 일반적인 방법은 정지기기, 회전기기로 분류하 는 방법이다. 회전기기는 전원의 종류에 따라 유니버셜 DC 모터와 영구자석(PM)형 DC 모터인 직류기와 콘덴서 유도형/ 세이딩코일형인 단상 유도기, 농형/권선형인 3상 유도기, 브 러쉬리스/스위치드릴럭턴스/SynRM 모터인 동기기를 포함한 교류기로 분류할 수 있다.

 

영구자석형 동기모터(PMSM)는 영구자석을 회전자에 어떻게 결합하는가에 따라서 표면자석형 동기기(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)와 매입자석형 동 기기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)로 분류할 수 있으며 역기전력파형과 입력 전류의 형상에 따라 크 게 BLAC PM 모터와 BLDC PM 모터로 구분한다.

 

BLDC PM 모터의 경우 전류의 방향이 변할 때마다 큰 토 크 리플이 발생하여 제어적으로 문제가 되어 친환경차용 구 동모터로는 적합하지 않아 BLAC PM 모터들이 주로 적용되 고 있다.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024 

<그림 4>는 영구자석/릴럭턴스 토크 성분의 비에 따른 분 류를 보여주고 있으며, SPMSM은 영구자석에 의한 토크성 분이 대부분인 순수한 PM 모터이고, SynRM은 영구 자석을 포함하지 않고 릴럭턴스 성분만을 사용하는 순수한 릴럭턴 스 모터이다. 친환경차용 구동모터로는 토크밀도가 높고 릴 럭턴스 토크도 적절하게 활용할 수 있는 매입자석형 영구 자석 모터를 주로 사용하고 있다.


●구동모터의 타입별 특징

친환경차에 적용될 수 있는 구동모터로는 직류모터, 유 도모터, 영구자석형 모터, 스위치드릴럭턴스 모터 정도가 대표적이다.

 

직류 모터는 속도가 전압에 비례하기 때문에 속도를 증 가시키기 위해서는 전압을 제어해야 하며, 기계적인 스위칭 방식의 구조인 브러쉬와 정류자의 구조로 인해 수명에 제 한이 있고 마찰이 심하며 통전시 스파크(Spark)가 발생하 는 문제가 있다. 최대 회전수는 4,000~6,000rpm이며 최 대효율은 88~91% 정도이다. 유도기는 전압/주파수 제어를 통해 가·변속이 용이하며 회전수는 9,000~15,000rpm이 다. 최대 효율은 94~95% 정도로 낮으며 토크밀도도 낮아 사이즈 면에서 불리하다.

 

영구자석형 모터는 고효율(최대95~97%)이면서 저속에서 고토크를 낼수 있어 저속특성이 우수하나 제어를 위한 드라이브 가격이 비싸고 영구자석의 가격이 비싸다는 단점 이 있다. 회전수는 4,000~15,000rpm 정도이고 견고하며 유지보수 측면에서 탁월하다.

 

스위치드 릴럭턴스 모터는 최대 효율은 90% 이상으로 낮 은 편이나 고정자/회전자 구조가 간단하고 온도 특성도 우 수하며 영구자석형 모터에 비해 가격도 저렴하지만 구동 드 라이브 가격이 비싸고 소음/진동이 나쁘다는 단점이 있다.

 

 

구동모터의 설계

 

TMED용 구동모터로는 박형(Pancake)이 주로 이용되고 있으며 효율 경쟁력을 가지기 위해서는 분할코어 집중권 모 터로 설계되어야 한다. 분할코어 집중권의 경우 분포권보다 엔드턴이 짧고 점적률이 높아 동손이 작다. 하지만 분할코어 집중권의 단점은 코깅토크 및 토크리플이 커서 NVH 측면 에서 불리하다. 따라서 효율 및 출력 등 다른조건은 최대화 하며 코깅토크 및 토크리플을 최소화하는 방향 및 전달계를 강건화하는 방향으로 설계가 진행되어야 한다.

 

모터 효율을 극대화하기 위한 방법으로는 코일의 점적 율을 올리는 방향과 코어의 두께를 줄여 철손을 줄이는 방 향으로 설계 진행되었다. 점적율을 높이기 위해 기존의 환 선에서 사각권선을 적용하여 설계하였으며 코어의 두께는 0.3mm 이하 박판을 개발하여 적용하고 있다.

 

시스템 효율을 개선하기 위해서는 역기전압을 증대시켜 전류를 줄이는 방향으로 설계 진행되고 있으며, 역기전압을 높이기 위한 방법으로는 구동모터의 상당 직렬턴수를 증대 시키는 방법을 적용하였다. 이로 인해 전류가 감소하여 인버 터의 효율이 높아지며 시스템 효율을 개선하였다.

 

코깅토크와 토크리플에 영향을 많이 주는 부분은 공극에 접하고 있는 회전자의 외경부 형상 및 고정자의 내경 형상이 다. 즉, 공극 부분의 형상을 변경함에 따라서 코깅토크와 토 크리플은 크게 바뀌게 된다. 회전자 형상은 Groove를 적용 하여 최적화하였고 이로 인해 릴럭턴스 토크 사용량이 줄어 들게 되나 토크리플은 상당히 감소시킬 수 있다. 고정자의 형상 또한 코깅토크와 토크리플에 영향을 주며 특히, 치끝 형상에 대한 최적화 설계가 진행되었다.

 

Sonata/K5에는 변속기로 AT(Automatic Transmission)가 모터에 결합되어 변속기와 모터의 냉각을 공유할 수 있는 유 냉으로 설계되었다. 냉각은 서포트링과 하우징 사이에 위치 하는 냉각 채널로 오일을 흘려 고정자외부를 간접 냉각을 하는 방식과 베어링과 엔진클러치를 냉각시킨 오일이 비산 에 의한 직접냉각 방식을 동시에 적용하여 냉각 성능을 확보 하였다.

 

Ioniq/Niro의 경우는 DCT(Double Clutch Transmission)을 적용하고 변속기 내부의 건식 엔진클러치로 인해 모터는 독 립적으로 분리하였다. 이로 인해 냉각을 위해 서포트링에 냉 각수를 흘려 고정자 코어 외부를 간접냉각 하는 방식으로 설계를 하였다.

 

 

구동모터의 효율 개선 기술


구동모터의 경우 일반 산업모터와 달리 구동되는 부하 포인트의 범위가 넓다. 적용 분야에 따라 구동모터의 주 사용 영역이 다르므로 구동모터 주 사용영역에 따라 효율을 극대 화시키는 설계가 필요하다. <그림 5>는 HEV/PHEV 차량용 구동모터의 주 사용영역을 보여주고 있다. HEV/PHEV 차량 용 구동모터의 주 사용영역은 저속 고토크를 많이 포함하므 로 <그림 6>에서 보여주는 것과 같이 동손을 최소화하는 방 향으로 설계되어야 한다.

 

HEV/PHEV 모터의 효율을 극대화하기 위해서는 코일 의 점적률을 높여 저항값을 낮추는 방법과 인버터 소자 내 압 범위 안에서 역기전압을 높여 전류를 낮추는 방법이 있 다. 점적률은 슬롯 면적 중 코일 면적이 차지하는 면적의 비 율로서 코일 형상을 원형에서 평각형으로 변경하여 증가시 킬 수 있다. 환선의 경우 코일과 코일 사이에 Deadspace가 많이 존재하게 되나, 평각선을 사용하면 Deadsapce를 줄여 점적률을 더 높일 수 있어 동손을 줄일 수 있다<그림 7>.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024

 

고속에 적용되는 구동모터의 효율을 극대화하기 위해서 는 코어의 철손을 저감하는 방법이 있다. 대표적인 방법으로 는 전기강판 두께 저감이다. 현재 친환경차 차량용 구동모터 에 쓰이는 전기강판의 두께는 0.25mm~0.3mm이며 0.2mm 이하까지 낮추는 방향으로 개발 중이다. 또한 구동모터 주 사용영역의 철손을 낮추기 위해서는 영구자석 사용량을 최 적화해야 한다. 기계손을 저감하기 위한 방법은 구동모터의 회전자의 외경을 최소화하여 회전에 의한 풍손을 최소화하 는 방법과 씰/베어링의 마찰을 최소화하여 손실을 저감하는 방법이 있다.

 

이와 같이 친환경차용 구동모터는 차량의 연비를 극대화 하기 위해 각각의 친환경차량의 구동모터 주 사용영역을 분 석하여 이에 영향을 미치는 손실 인자를 최소화하는 방향으 로 개발하고 있다.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024

 

친환경차량용 구동 모터는 친환경 차량의 핵심 부품인 e-Powertrain의 구동원으로 차량 가속 시에는 동력을 발생 시키며, 감속 시에는 회생 에너지를 발생시키는 역할을 한 다. 구동모터는 연비 및 동력 성능 향상을 위하여 고효율, 고 출력, 고토크 및 경량화가 필수적인 요소이나 이는 구동 모 터의 NVH 성능 악화가 동반된다.

 

친환경차량은 내연기관이 사용이 제한적이며, 전기차 또 는 연료전지차의 경우 내연기관이 없기 때문에 엔진음에 의 한 다른 작동음들의 마스킹 효과가 사라져서 차량 실내에서 들리는 소리들의 크기는 낮아졌지만 모터 작동음이나 이음 들이 청감 상 기존 가솔린 차량보다 더 잘 들리게 된다. 특 히, 모터 작동음은 운전자에게 친환경차량의 PE부품, 예를 들어 구동모터 등, 정상적인 동작을 하고 있다는 인식을 주기도 하지만 일부 운전자에게는 고주파 소음으로 인식될 수 도 있다. 따라서 친환경 차량은 운전자가 편안하고 정숙한 실내 환경 유지를 위하여 구동모터의 저소음, 저진동화를 위 한 NVH 개발이 지속적으로 요구된다.

 

일반적으로 친환경차량용 구동 모터에서 발생하는 모터 작동음은 전자기 소음(Electromagnetic noise), 구조 소음 (Structure borne noise), 공력 소음(Aerodynamic noise)으 로 크게 분류할 수 있다.

 

전자기 소음은 코깅 토크(Cogging torque)나 모터 제어에 의해 발생하는 토크 맥동(Torque ripple) 등에 의해 전체 운전 조건에서 고주파 피크성 소음으로 발생한다. 구조 소음은 회전체의 불평형 질량에 의한 가진 또는 베어링 결함, 구조 공진에 의해 구동 모터 자체의 기계적 진동에 의해 전체 운 전 조건 또는 특정 운전 조건에서 고주파 피크성 소음으로 발생한다. 공력 소음은 고속으로 회전하는 회전체에 의한 공 기 유동에 의해 주로 저주파 대역에서 광대역 소음으로 발생한다.

 

따라서 친환경차량용 구동 모터에서 발생하는 소음의 다 양한 가진원과 복잡한 전달 경로 등의 발생 과정을 정확하 게 예측하여 운전자의 정숙한 실내 환경을 저해하는 소음을 발생시키는 원인을 규명하고 제거하는 것이 효과적인 친환 경차량용 구동모터의 NVH 개발 방향이라고 할 수 있다.

 

친환경차량용 구동모터 NVH 개발은 친환경차량 시스템 특성을 고려한 NVH 개발 전략 또한 필요하다. HEV/PHEV 차량용 구동모터의 경우 엔진과 변속기 사이에 위치하기 때 문에 박형 구조가 필요하고 주로 집중권으로 설계가 된다. 구동모터 NVH 측면에서는 HEV/PHEV 차량은 구동모터 작 동음이 중고속 이상에서 엔진 소음에 의해 마스킹되기 때문 에 크립 및 EV 발진 구간에 정숙성이 요구된다.

 

이 운전 구간은 코깅 토크에 영향을 지배적으로 받기 때 문에 HEV/PHEV용 구동모터는 코깅 토크를 저감하기 위한 설계가 동반되어야 한다. 특히, PHEV 차량은 EV 운전 구간 이 늘어나기 때문에 중고속에서도 엔진에 의한 마스킹 효과 가 없어지므로 PHEV용 구동모터는 코깅토크 뿐만 아니라 전체 운전 영역에서 토크 리플을 최소화할 수 있는 설계가 동반 되어야 한다.

 

f1afbdb71fb87d987bb3694266d778ae_1519024

 

구동모터 NVH에 영향을 미치는 전자기력인 코깅 토크 및 토크 리플 저감 기술로는 고정자 또는 회전자 스큐 적용 및 회전자 외경 노치 적용, 고정자 슬롯 치 끝단 형상 및 회전 자 자석 위치 최적화 기술 등이 필요하다.

 

HEV/PHEV 차량에서는 파워트레인의 효율을 극대화하고 고효율의 연비를 실현하면서 재료비에서 경쟁력이 있는 TMED 하이브리드 시스템이 증가하고 있는 추세이며, 형상 최적화 및 물성 재질 개선을 통한 고효율 설계 기술들이 적용되고 있는 영구자석형 동기전동기가 널리 이용되고 있다. 차량의 운전성 측면에서 NVH 개선 기술에 대한 요구는 더욱 증가되고 있는 상황이며, 고출력 사양이 요구됨에 따라 이를 구현하기 위한 전제 조건인 냉각 방식에 대한 연구/ 개발이 지속적으로 필요한 실정이다.

 

글 / 이희라 (현대자동차)
출처 / 오토저널 17년 10월호 (http://www.ksae.org) 
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너

우측배너(아래)