안녕하세요 기어투워드입니다.
현재 전기차에는 희토류 자석을 사용하는 영구자석 모터가 주로 적용되고 있습니다.
이 영구자석 모터에 들어가는 영구자석에는 네오디뮴(Nd)이라는 희토류 원소가 들어가며 이는 일부 국가에 제한적으로 매장되어 있어 매우 고가이고 가격 변동이 심한 게 특징입니다. 이를 개선하기 위해 최근에는 유도모터를 포함하여 '비희토류 모터' 연구개발에 박차를 가하고 있습니다.
그래서 오늘은 비희토류 모터 종류중 하나인 계자 권선형 모터의 정의와 원리, 구조, 개발현황에 대해 알아보겠습니다.
계자 권선형 모터의 정의 / 구조 & 원리
| 정의
계자 권선형 모터란 공식적으로는 '계자 권선형 동기 모터 (WRSM, Wound Rotor Sychronous Motor)'로 모터 회전자에 코일을 권선한 모터입니다. 회전자에 권선한 코일에 전류를 인가하여 회전자에 자계를 형성하는 방식으로 구동하는 모터입니다.
| 구조 & 원리
일반적으로 모터는 크게 회전자 (Stator)와 고정자 (Rotor)로 구성되어 있습니다. 전기차에 많이 사용되고 있는 영구자석 동기 모터 (PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)의 경우 회전자에 자석을 적용하여 회전자 자체적으로 자계를 형성하고, 고정자의 코일 권선에 전류를 인가하여 회전 자계를 형상 후 인버터 제어를 통해 회전자의 자계와 고정자의 자계를 일치시켜 회전시키는 방식으로 구동됩니다.
그러나, 계자 권선형 모터의 경우 고정자는 동일하지만 말씀드린 대로 회전자에 전류를 인가하는 방식으로 이를 위해 브러시와 슬립링 (정류자, Commutator)이라는 부품이 추가됩니다. 이는 직류 모터의 작동 원리와 동일하기 때문에 개인적으로 계자 권선형 모터는 직류와 교류가 모두 흐르는 하이브리드 모터라고 생각합니다. 위 영상과 동일하지만 'Stator Magnet'인 고정자 자석이 권선형으로 이루어진 게 계자 권선형 모터입니다.
| 구동 과정
계자 권선형 모터의 구동과정은 아래와 같습니다.
- 회전자에 직류 인가로 계자 형성 + 고정자에 직류 인가로 계자 형성
- 인버터가 고정자의 계자를 제어하여 회전 자계 형성
- 고정자의 회전자계와 회전자의 회전자계가 동기화
- 회전자 구동
계자 권선형 모터의 장단점 / 개발 현황
• 장점 1. 희토류 Risk로부터 해방
앞서 말씀드린 것처럼 영구자석 모터에 주요 부품인 영구자석의 희토류 원소재 전체 생산량의 60%를 중국에서 차지하고 있고 최근에는 이를 정치적인 용도로 사용하고 있어 가격 변동이 심하고 무기화되고 있습니다. 그러나 계자 권선형 모터를 통해 이런 희토류 Risk에서 벗어나 비교적 자유롭고 안정적으로 부품 수급이 가능한 부분이 큰 장점입니다.
• 장점 2. 저속 구간 높은 토크
계자 권선형 모터는 저속 구간에서 순잔적인 계자자속 증가로 높은 토크를 낼 수 있는 장점이 있습니다. 이는 영구자석 모터보다도 높은 토크를 가지고 있으며 또한 계자자속 자체를 줄여 제어의 복잡성을 덜어줄 수 있기 때문에 고속 구간 또한 유리합니다.
• 단점 1. 짧은 수명
계자권선형 모터는 구조상 회전자 권선에 전류 인가를 하기 위해 다른 모터와 다르게 브러쉬와브러시와 슬립링 (또는 정류자)라는 부품이 적용됩니다. 회전자 권선에 연결되어 있는 슬립링과 브러시와의 지속적인 마찰을 통해 전류가 인가되는데 이로 인한 브러시 마모로 수명이 짧습니다. 이 단점은 계자 권선형 모터가 아직 상용화되지 않은 주요 원인이기 때문에 현재 이를 개선하기 위해 브러시 없이 회전자에 전류를 인가하는 방안이 연구개발 중 있습니다.
• 단점 2. 효율 저조
다른 모터들과 다르게 회전자 권선에 전류가 흐르기 때문에 권선의 저항에 발생하는 손실인 '동손'으로 인해 효율이 저조한 단점이 있습니다. 유도모터 대비해서는 효율이 소폭 높지만 현재 주로 사용하고 있는 영구자석 모터와 비교했을 때는 다소 부족한 상황입니다.
• 장점 3. 생산성 저하
회전자에 영구자석을 삽입하는 영구자석 모터와 도체를 삽입하는 유도모터와 다르게 코일을 권선해야하는 계자권선형 모터는 생산성이 떨어집니다. 이는 자연스럽게 단가에 영향을 주기 때문에 상용화를 위해서는 영구자석 모터와 유도모터 수준의 생산성이 요구됩니다.
Wrap-Up
오늘은 전기자동차의 주요 부품이자 비희토류 모터인 계자 권선형 모터에 대해 알아봤습니다.
하루가 다르게 새로운 배터리 기술이 개발되는 것처럼 계자 권선형 모터도 이와 같이 개발되어 전기차 판매가가 내려갔으면 좋겠습니다.
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