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만렙 지식 쌓기, 전기모터 편

전기차에서 배터리만큼이나 중요한 전기모터. 그에 대한 모든 것을 알려준다

2021.08.05

 

모터란 무엇?

모터(Motor)의 어원은 라틴어 Moto다. 움직인다는 의미로 어떤 에너지든 기계에너지로 변환시킨다면 무엇이든 모터라고 부를 수 있다. 그런 의미에서 내연기관은 물론 로켓도 모터의 일종으로 볼 수 있다. 다만 한국에서 모터라고 하면 보통 전기모터를 가리킨다. 전기모터는 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 원동기로, 정식 명칭은 전동기다.

 

전동기의 기원은?

19세기 초 영국의 과학자 마이클 패러데이가 전기와 자기의 연관성을 밝혔다. 1821년에는 전자기력에 의한 회전 실험에 성공했다. 이후 헝가리 왕국의 과학자이자 베네딕도회의 성직자였던 야뇨시 예들리크가 1827년 전기와 자기를 이용해 회전하는 기계에 대한 실험에 성공한다. 이것이 바로 세계 최초의 전동기다. 이듬해인 1828년에는 초기 형태의 직류전동기 개발에도 성공한다. 한편, 교류전동기의 한 종류인 유도전동기를 상용화하는 데에는 니콜라 테슬라가 큰 역할을 했다. 유도전동기를 현대적인 형태로 개량한 게 바로 그다.

 

직류전동기란?

전동기는 크게 직류를 사용하는 직류전동기와 교류를 사용하는 교류전동기로 나뉜다. 둘을 분류하는 건 구조가 다르기 때문이다. 직류전동기에는 브러시가 들어간다. 외부에서 공급받는 전원을 모터 내부 회로로 전달하는 부분이 필요한데, 접촉을 통해 이를 전달하는 게 브러시다. 전원을 공급하는 부분인 정류자와 맞닿아서 회전하는 부품이다. 이로 인해 마찰이 일어나고 소음과 분진, 고주파 같은 게 발생한다. 브러시도 많이 닳는다. 여러모로 단점이 많다.

 

그래서 최근 대세로 자리한 건 브러시리스 전동기다. 말 그대로 브러시가 없다. 직류전동기는 원래 기계에너지로 전환되는 회전자에 코일이 들어가고, 이를 감싼 고정자에 자석이 붙어 있는데, 브러시리스는 회전자에 자석을, 고정자에 코일을 넣은 형태다. 서로 자리를 맞바꾼 구조다. 높은 출력과 토크를 발생시킬 수 있어 전기기관차나 슈퍼카에도 들어간다. 1000마력도 넘게 뿜어내는 초강력 전기차 리막 콘셉트 원과 콘셉트 S에 브러시리스 전동기가 들어간다.

 

리막이 개발한 브러시리스 전동기. 콘셉트 원에 사용했다.

 

전기차의 대세는 브러시리스 전동기?

사실 전기차는 주로 교류전동기를 사용한다. 오히려 전동 킥보드나 전동 휠 등에서 브러시리스 전동기를 주로 사용한다. 인휠 모터로 사용하기에 적합하기 때문이다. 물론 교류전동기도 대부분 브러시가 없다. 즉, 브러시리스 전동기라는 얘기다. 다만 직류 브러시리스 전동기는 BLDC라는 이니셜로 표기하는 다른 구조의 전동기다. 참고로 교류전동기는 유도식과 동기식으로 나뉜다. 전기차의 대세는 이 유도식과 동기식으로 보는 게 타당하다. 요즘 나오는 거의 모든 전기차에 교류전동기가 들어간다. 

 

아우디 e-트론에 들어간 유도전동기 

 

유도전동기란?

머릿속에 철로 만든 원기둥 하나를 떠올려보자. 자석을 기둥 가까이에 가져가 빙글빙글 돌리면 어떻게 될까? 당연히 원기둥은 자석을 따라 회전한다. 이 회전을 이끈 건, 즉 유도한 건 자석의 자력이다. 이게 유도전동기의 원리다. 다만, 유도전동기는 도체로 회전자를 만든다. 그리고 회전자 주위를 여러 개의 코일로 둘러싼다. 이때 도체 주변의 코일에 3상 전류를 흘려 번갈아 신호를 주면 전자기의 N극과 S극이 마치 회전하듯 순차적으로 형성된다. 이것을 회전자계라고 부른다. 회전자계는 자석이 돌아가는 것과 동일한 효과를 만든다. 그럼 도체는 회전자계의 유도에 의해 회전한다. 이게 유도전동기다. 유도전동기는 니콜라 테슬라에 의해 처음 현대적인 형태로 개량됐다. 그래서 테슬라 모델 S와 모델 X는 최근까지 AC 3상 유도전동기를 사용했다. 구조가 간단한 유도전동기는 구동이 쉽고 저렴하며 튼튼하다는 장점이 있다. 열과 과부하에도 강하다. 다만 회전자의 회전이 회전자계보다 늦고, 회전자에도 전류가 흘러 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 정밀한 제어도 어렵다. 현재는 메르세데스 벤츠 EQC와 아우디 e-트론, 르노 트위지에 유도전동기가 들어간다. 고속열차인 KTX 산천도 유도전동기를 사용한다.

 

폭스바겐이 만든 동기전동기

 

동기전동기란?

직접 노래하듯 음악에 입을 맞추는 걸 립싱크라고 한다. 여럿이 한 사람처럼 움직이는 수중발레를 싱크로나이즈드 스위밍이라고 부른다. 이때 이 싱크는 싱크로나이즈(Synchronize)에서 왔다. 동시에 동일하게 일어난다는 의미다. 동기전동기를 영어로 하면 싱크로너스 모터(Synchronous Motor)다. 회전자와 회전자계의 회전이 늘 일치하는 전동기란 뜻이다. 동기전동기와 유도전동기의 원리는 같다. 단, 차이점이 하나 있다. 회전자가 단순히 도체가 아니라 자성을 띤다는 점이다. 때로 자성을 띠는 코일을 회전자로 쓰기도 하지만 보통은 영구자석을 사용한다. 자석은 늘 같은 극끼리 서로 밀어낸다는 건 이미 초등학교에서 배운 상식이다. 동기전동기는 회전자계와 회전자의 자력이 상호작용하며 회전하기 때문에 회전속도가 늘 일치한다. 때문에 효율이 높고 회전을 시작하는 동시에 최대토크를 뿜어낸다. 대개는 최고출력을 발휘할 때까지 유지한다. 발열이 낮아 관리가 쉽고 크기에 비해 높은 성능을 끌어낼 수 있다는 장점도 있다. 대신 회전자 역할을 하는 영구자석이 비싸다. 높은 자력을 요구하기 때문에 값비싼 희토류로 영구자석을 만들기 때문이다. 더불어 제조도 쉽지 않다. 생산단가가 높아질 수밖에 없다. 그럼에도 최근 전기차의 대세는 동기전동기다. 포르쉐 타이칸과 루시드 에어, 재규어 I 페이스가 영구자석 동기전동기를 쓴다. 쉐보레 볼트 EV와 현대·기아의 전기차, 푸조 e-208, 닛산 리프에도 동기전동기가 들어간다. 리프와 플랫폼을 공유한 르노 조에도 동기전동기를 쓰지만, 회전자로 코일을 사용한다. 르노삼성 SM3 Z.E.도 마찬가지다. 테슬라 모델 Y와 모델 3는 뒤축에만 영구자석 동기전동기가 들어간다. 앞축에는 영구자석 보조 스위치드 릴럭턴스 전동기를 쓴다.

 

릴럭턴스 전동기란?

릴럭턴스 전동기는 회전자의 단면이 마치 톱니바퀴처럼 생겼다. 기다란 돌기가 일정한 간격으로 솟아 있다. 그 주변을 감싼 고정자에도 기다란 돌기가 튀어나왔다. 회전자의 돌기를 향해 닿을 듯 말 듯한 길이에 일정한 간격으로 솟았다. 회전자의 돌기가 4개, 고정자의 돌기가 6개라고 가정해보자. 각 돌기의 간격이 같다면 한 번에 맞닿을 수 있는 돌기는 2개뿐이다. 이때 고정자에 전류를 흘리면 가까이 있는 회전자도 자기를 띤다. 그럼 둘 다 전자기를 띠어 튀어나온 부분끼리 서로 닿으려고 한다. 그런데 회전자보다 고정자의 톱니 수가 더 적기 때문에 회전자에는 항상 고정자와 맞닿지 않은 톱니가 생긴다. 이 톱니들은 자꾸만 고정자의 다른 톱니와 붙으려고 한다. 이렇게 회전자의 톱니들이 고정자의 톱니와 붙으려는 힘에 의해 움직이며 회전력을 얻는게 바로 릴럭턴스 전동기다. 원래 전자기력을 이용하지만, 최근에는 보조적으로 영구자석을 사용한다. 그럼 동기전동기보다 영구자석을 적게 사용하고도 비슷한 수준의 토크와 효율을 얻을 수 있다. 값비싼 영구자석을 적게 쓰기 때문에 생산단가도 낮다. 2020년 2월 이후 생산한 테슬라 모델 S와 모델 X, 그리고 듀얼모터가 들어간 모델 3와 모델 Y의 앞축에 이 영구자석 보조 스위치드 릴럭턴스 전동기를 사용한다. 

 

 

 

 

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CREDIT

EDITOR : 고정식PHOTO : 각 제조사 제공

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