1. 서론
코펜하겐 유엔기후변화협약 이후 세계는 자동차 배출가스 규제에 상당히 민감해져 있으며, 자동차 산업은 이와 같은 환경규제에 대응하기 위해 기존 내연기관 개선만으론 한계가 있기 때문에 하이브리드 전기자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in HEV : Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기자동차(EV : Electric Vehicle), 연료전지 자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle) 시장이 커질 수 밖에 없게 되었다.

글 / 이치우 (경성대학교)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 10월호

2015년까지 미국과 유럽은 CO2 배출량을 회사 평균 130(g/km) 이하로 맞출 것을 요구하고 있으며, 이를 초과할 경우 적지 않은 할증금을 부과하는 계획을 확정 발표하였다. 최근 여러 보고서를 통해 미국과 유럽 내 주요 자동차 회사들의 2016년 가중 과징금 규모를 추정한 것을 보면 원화 환산기준 수천억원에서 1조원이 넘는 회사가 있을 것으로 나타나고 있어 HEV 및 EV 시장 규모는 커질 수 밖에 없다.

차세대 전기자동차 중 연비, 인프라, 현기술수준, 상용화 등 전반적인 측면을 고려시 HEV 기술이 현재 가장 우수한 시스템으로 각광 받고 있다. HEV 자동차는 그림 2와 같이 2가지 이상의 동력원을 이용하여 추진되는 자동차를 일컫는 말로서 주행 조건별로 전기모터와 내연기관을 조합하여 사용하는 자동차이며, EV나 Plug-in HEV보다 기존의 주유소와 같은 사회 간접자본을 그대로 이용 가능하며 상대적으로 낮은 가격으로 기존 내연기관에 비해 성능 감소 없이 낮은 배기가스 배출과 높은 연비를 얻을 수 있다. 본 고에서는 자동차 전기구동 시스템의 핵심 부분인 전동기의 종류, 개발 동향 및 적용사례에 대해 살펴보고자 한다.

2. 구동전동기 종류 및 특징

전기동력 자동차용 구동전동기에는 그림 3과 같이 여러 가지 종류가 있지만 연료 소비를 줄이고 연비 향상을 위한 높은 출력과 함께 자동차 내부의 공간을 효율적으로 활용하기 위하여 소형화 및 경량화가 반드시 수반되어야 하므로 전체 운전기간에서 고출력, 높은 효율, 높은 신뢰성은 필수적이다.

초기 하이브리드 자동차용 전동기로는 구조가 간단하고 효율이 높은 직류전동기(DCM: DC Motor)가 많이 사용되었으나, 정밀제어 및 유지보수가 어려워 최근에는 거의 사용되지 않는다. 유도전동기(IM : Induction Motor) 또한 내구성이 높고 저렴하지만 회전자 손실로 인한 발열 및 냉각의 문제점을 가지고 있다.

이에 따라 최근에는 회전자에 희토류 영구자석(Rare-Earth Magnet)을 삽입하여 높은 효율과 출력 밀도를 얻을 수 있는 매입형 영구자석(IPM : Interior Permanent Magnet) 전동기 또는 표면 부착형 영구자석(SPM : Surface Permanent Magnet) 전동기처럼 영구자석이 사용된 전동기의 적용이 활발히 이루어져 왔다. 영구자석을 사용하기 때문에 릴럭턴스 전동기나 유도전동기에 비해 효율이 높고 출력밀도가 높은 장점이 있으나 회전자에 영구자석을 삽입함으로써 고속운전 및 영구자석의 감자로 인한 신뢰성 감소, 희토류 금속의 원가 상승 등이 문제시 되고 있다. 따라서 희토류 영구자석을 사용하는 전동기에 대한 활발한 연구개발에 병행하여 동등 수준의 성능을 유지하면서 희토류 영구자석의 사용량을 감소하거나 비희토류 영구자석을 적용할 수 있는 신기술에 대한 고찰이 크게 확대되고 있는 실정이다.

3. 자동차 구동용 전동기 개발 동향

그림 4의 세계 희토류 매장량에서 보여주듯 영구자석에 사용되는 희토류의 세계 공급량에서 97%를 차지하는 중국의 2008년 수출 제한 조치를 계기로 그림 4의 희토류 가격 추이에서 제시된 것처럼 2011년에는 2008년 대비 거의 8배에 해당하는 희토류의 가격 급등이 발생하여 세계적 이슈로 떠올랐다.

현재 탈희토류 모터기술 개발의 바람이 거세게 불고 있으며 그 동향은 크게 두 가지로 나누어 살펴볼수 있다. 첫째는 높은 특성의 페라이트(Ferrite) 자석으로 희토류 자석을 대체하기 위한 재료기술이고, 두 번째는 전동기 신기술 개발로서 그림 5의 자동차 구동용 전동기의 개발 동향에서 알 수 있듯이 직류전동기(DCM : DC Motor)와 유도전동기(IM : Induction Motor) 위주의 개발 초기에서 희토류 영구자석을 사용하여 높은 효율과 출력 밀도를 얻을수 있는 매입형 영구자석(IPM : Interior Permanent Magnet) 전동기 또는 표면 부착형 영구자석(SPM : Surface Permanent Magnet) 전동기로 그 개발의 흐름이 바뀌고 있다.

하지만 앞서 언급했던 희토류의 매장량 부족과 가격 급등에 따른 전동기의 경쟁력 악화를 우려하는 다양한 국가에서 현재의 희토류 영구자석 전동기를 대체할 수 있는 미래기술 개발을 준비하게 되었고, 이는 희토류 저감형 전동기와 탈희토류 전동기의 기술 선점을 요구하게 되었다. 희토류 사용량의 90% 이상을 수입에 의존하는 우리로서는 대체기술 개발이 시급하며, 특히 미래 먹거리 산업인 전기자동차분야에서 탈희토류 모터기술의 개발경쟁은 더욱 거세질 전망이다.

이러한 세계적 움직임에 의해 영구자석이 필요 없는 릴럭턴스 전동기(Reluctance Motor)가 하나의 대안으로 검토되고 있으며, 본 고에서는 탈희토류 모터기술 중 하나인릴럭턴스 전동기의 기술을 소개하고 그 적용 사례를 살펴보고자 한다.

4. 릴럭턴스 전동기 기술 소개

릴럭턴스 전동기와 영구자석 전동기는 구조와 토크 발생 원리에서 상이한 차이를 보이며, 회전자에 영구자석이 있어야만 토크가 발생되는 영구자석 전동기와 달리 릴럭턴스 전동기는 회전자에 영구자석이나 코일과 같은 어떠한 여자장치도 없이 간단한 구조를 갖는다. 영구자석 전동기의 토크는 회전자의 영구자석 극성과 고정자의 권선으로 구성된 전자석의 극성이 일치되는 방향으로 발생하는데 이를 뮤추얼 토크(Mutual Torque)라 부르며, 이와 달리 릴럭턴스 전동기는 적층된 철심으로만 구성된 회전자의 돌극(Saliency)에 의해 고정자 전자석의 흡입력으로 자기회로의 저항이 최소가 되는 방향으로 토크가 발생하게 되는데 이를 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)라 부른다.

이러한 릴럭턴스 전동기는 크게 두 가지 종류로서 동기 릴럭턴스 전동기(SynRM : Synchronous Reluctance Motor)와 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM : Switched Reluctance Motor)로 구분되며, 본 고에서는 상기 두 릴럭턴스 전동기를 활용한 탈희토류 및 희토류 저감형 전동기 기술의 동향을 파악하고자 한다.

4.1 동기 릴럭턴스 전동기의 연구 및 개발

그림 5에서 제시된 동기 릴럭턴스 전동기(SynRM)의 구조에서 알 수 있듯이 일반적으로 동기 릴럭턴스 전동기의 고정자는 분포권(Distributed Winding)을 갖는 유도전동기와 유사하여 돌극이 없지만, 회전자는 영구자석이나 권선이 없이 빗살 형태의 자속 장벽(Flux Barrier)을 통해 돌극을 갖는 간단한 구조로 이루어진다. 가변속 구동이 가능하고 고정자 권선에 의해 정현파에 가까운 기자력을 발생시킴으로써 스위치드 릴럭턴스 전동기에 비해 소음이나 토크 맥동 등에 유리한 장점이 있으며, 넓은 범위의 정출력 운전 특성 및 낮은 조립 단가 등을 고려하였을 때 전기자동차 구동용으로 충분한 경쟁력을 지닌다. 하지만 영구자석이 매입된 타 전동기에 비해 출력 및 효율 특성이 떨어지기 때문에 이를 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

그림 6은 기존의 동기 릴럭턴스 전동기 구조에 영구자석을 추가한 영구자석 매입형 동기 릴럭턴스 전동기(Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor)의 구조로서, 이러한 구조는 자속장벽에 의한 릴럭턴스 토크 뿐만 아니라 회전자에 삽입한 영구자석에 의해 뮤추얼 토크도 발생할 수 있으므로 두 가지 토크의 조합을 활용하여 동기 릴럭턴스 전동기의 출력 및 효율을 개선할 수 있다. 또한, 사용하는 영구자석이 희토류인 경우 기존 매입형 희토류 영구자석 전동기에 비해 그 사용량을 줄이기 위한 희토류 저감형 전동기 연구의 한 축으로 해당 전동기가 검토되고 있다.

4.2 스위치드 릴럭턴스 전동기의 연구 및 개발

그림 5의 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 구조에서 알 수 있듯이 본 전동기는 고정자와 회전자가 모두 돌극을 갖는 이중 돌극형 전동기로서 고정자는 각 자극에 집중권(Concentrated Winding)의 코일이 감겨져 있고, 회전자는 동기 릴럭턴스 전동기와 동일하게 영구자석이나 권선이 없이 적층된 철심만을 갖는다.

하지만 동기 릴럭턴스 전동기의 자속장벽 대신 철심 자체의 모양을 원에서 멀어지도록 설계하여 돌극을 형성한다. 정체중인 언덕길 등에서 유도전동기는 회전자의 발열이 문제가 되나 스위치드 릴럭턴스 전동기는 회전자에서 발열은 적고, 대부분의 열이 고정자에서 발생하므로 외부 방출과 냉각이 상대적으로 용이한 장점이 있다. 영구자석과 권선이 없이 돌극된 회전자의 구조 덕분으로 기계적으로 견고하고 고속운전에 유리하기 때문에 전기자동차용으로 많이 검토되고 있으나 출력밀도, 효율, 토크 리플 등의 문제가 있어서 개선을 위해 연구가 활발히 진행되고 있다.

특히 일본의 경우 스위치드 릴럭턴스 전동기에 대한 연구가 최근 들어 더욱 가속도를 내고 있는데, 이는 2010년 중국과 일본 간 영토분쟁으로 인해 중국이 일본에 대해 희토류 수출 금지의 움직임을 보이면서 자원의 무기화에 대비하는 차원이기도 하다.

그림 7은 급격히 상승된 희토류 가격 문제를 해결하기 위해 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)의 연구비 지원으로 일본 도쿄대학에서 연구한 HEV용 스위치드 릴럭턴스 전동기의 사례로서 Mazda의 Roadster(MX-5) 차체에 맞춰 전동기가 설계되었고, 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)와 성능을 비교하고 있다.

해당 스위치드 릴럭턴스 전동기는 영구자석 동기 전동기와 동일한 체적에서 설계되었고, 동등 수준의 효율을 달성하기 위해 JFE Steel에서“Super Core”라고 불리는 0.1mm 두께를 갖는 10JNEX900의 전기강판을 사용하였다.

그 결과 최대 출력 54kW에서 영구자석 동기전동기와 동등 수준인 95.4%의 효율을 달성하였다. 본 연구는 영구자석이 완전히 배제된 순수 스위치드 릴럭턴스 전동기의 사례로서 탈희토류와 관련된 개발의 중요한 동향이라고 볼 수 있다.

그림 8은 탈희토류 전동기 개발에 순수 스위치드 릴럭턴스 전동기가 적용된 또 다른 사례로서 본 연구는 인도의 IIT(Indian Institute of Technology) 대학에서 수행한 것으로 전기자동차에 인휠(In-wheel)로 부착되는 전동기의 개발을 목표로 하고 있다. 구조적으로 봤을 때 회전자는 분리형 26극을 자동차 바퀴부에 부착하여 조립하고 12극을 갖는 고정자는 내부에 위치한다. 영구자석을 사용하는 브러쉬리스(Brushless) DC
전동기의 효율 대비 1% 부족한 90.4%의 효율을 달성하였다.

그림 9는 전기자동차용 인휠 타입 스위치드 릴럭턴스 전동기의 또 다른 사례로서 삼성전기에서 수행한 연구이며, 해당 전동기의 특징은 이중회전자 구조이다. 그림 9에서 전동기의 전자계 구조를 볼 때 가장 바깥과 안쪽에 존재하는 돌극형 적층 철심 2개가 회전자를 이루고 있으며, 그 사이에 위치한 것은 집중권 코일을 갖는 고정자이다.

이러한 이중 회전자 구조는 전동기의 자기저항인 릴럭턴스를 감소시켜 전동기의 토크 특성을 향상시킨다. 본 연구의 목표는 출력밀도와 토크 맥동 개선이며, 12/8 자극을 갖는 기존의 스위치드 릴럭턴스 전동기 대비동일 체적 내에서 설계된 제안 전동기는 출력밀도와 토크 맥동에서 각각 23%와 40%를 개선하였고, 2000rpm 속도에서 114Nm까지의 토크를 발생한다.

앞서 언급했듯이 일본에서는 희토류 저감 및 탈희토류 전동기 개발에 박차를 가하고 있다. 1980년에 영국에서 설립된 SR Drives는 스위치드 릴럭턴스 전동기를 기반으로 기술을 발전시킨 유수 업체였으나 최근에 일본의 유명 전동기 메이커인 Nidec에 전략적으로 매각되면서 그 이름이 Nidec SR Drives로 바뀌게 되었다.

해당 기업은 스위치드 릴럭턴스 전동기 및 구동 드라이브를 주축으로 하는데 그림 10은 Nidec에서 개발한 하이브리드 버스용 스위치드 릴럭턴스 전동기를 보여주고 있으며, HEV를 구현하기 위해 2.5ℓ디젤 엔진에 50kW와 160kW급 스위치드 릴럭턴스 전동기/발전기가 부착되어 하나의 시스템을 구성한 사례이다.

그림 10에서 제시된 다른 경우로서 스위치드 릴럭턴스 전동기가 전기자동차에 적용된 예가 있는데 2013년 제네바 모터쇼에서 전시된 Land Rover의 전기자동차와 이에 적용된 Nidec SR Drives의 70kW급 스위치드 릴럭턴스 전동기를 보여준다.

미국 에너지부(US Department of Energy)는 고속도로에서 운행하는 트럭에서 사용되는 전장 부품의 전동화를 위해 Caterpillar에 연구비를 전략적으로 지원하였다. 그 시스템의 핵심중 하나인 ISG(Integrated Starter Generator)를 그림 11에서 보여주고 있는데 Nidec SR Drives가 개발했으며, 역시 스위치드 릴럭턴스 전동기/발전기로서 1,200Nm의 토크에 30kW급으로 설계되었다.

그림 12는 LeTourneau의 대형 포크레인인 L-1350의 바퀴 구동을 위해 사용된 Nidec SR Drives의 스위치드 릴럭턴스 전동기를 보여주고 있다. 모든 바퀴에 300kW 정격의 스위치드 릴럭턴스 전동기가 각각 한 대씩 모두 총 4대가 사용되었고, 해당 포크레인은 바닥에서 천정까지 16m의 높이를 갖고 있으며, 총 무게는 180t에 해당한다.

5. 결론

희토류의 매장량 부족과 가격 급등에 따른 전동기의 경쟁력 악화를 우려하는 다양한 국가에서 현재의 희토류 영구자석 전동기를 대체할 수 있는 미래기술 개발을 준비하고 있는데 그 방향은 희토류 저감형 전동기와 탈희토류 전동기의 차별화 기술 선점으로 귀결된다. 희토류 사용량의 90% 이상을 수입에 의존하는 우리로서는 대체기술 개발이 시급하며, 특히 미래 먹거리 산업인 전기자동차 분야에서 탈희토류 모터기술의 개발 경쟁은 더욱 거세질 전망이다. 기존 영구자석 전동기에서 희토류 사용량을 감소시키려는 노력이 절실한 가운데 태생적으로 영구자석이 필요 없는 릴럭턴스 전동기를 활용한 대안이 다른 해결책으로 고려되고 있다. 본 고에서는 탈희토류 기술 중 하나인 릴럭턴스 전동기의 개발 동향을 소개하였고 그 적용사례를 살펴보았다.