지난 전기차 모터 기본적인 이해에 이어 오늘은 어떤 원리로 전기차에서 모터가 작동하는지에 대한 모터의 구조를 자세하게 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다.
다음 포스팅에 모터의 종류에 대해서 더 심도 있게 다룰 예정이지만 모터의 구조를 설명하려면 기본적인 종류에 대해 설명이 필요하기 때문에 모터로 들어오는 전류 형태에 따라 다른 모터의 종류를 기준으로 모터의 구조가 어떻게 차이가 있고 실제 전기차에는 어떤 구조를 가진 형식의 모터가 적용되고 있는지 알아보도록 하겠습니다.
모터의 정의와 전기차에 탑재되는 탑재 개수, 회생 제동, 모터의 종류 등 내용이 궁금하시다면 아래 링크로 들어가 주세요.
모터의 구조
다음 시간에 알아볼 모터의 원리를 이해하기 위해서는 먼저 모터의 구조가 어떻게 이루어져 있는지 알아야 합니다. 물론, 모터는 수십 가지의 부품들로 이루어져 있기 때문에 구조를 구분하자면 끝도 없지만 우선 모터의 원리를 이해할 수 있는 정도로 구분해 보겠습니다. 모터는 크게 3개의 큰 카테고리로 구분이 가능합니다.
배터리로부터 전기 에너지를 공급받아 회전 자기장을 발생시키는 고정자 (Stator), 고정자에서 발생된 회전 자기장에 반응하여 회전하는 회전자 (Rotor), 그리고 마지막으로 이 두 가지 부품을 보호하고 고정하는 역할을 하는 하우징 (Housing)으로 구분이 가능합니다. 뒤에 모터 종류별로도 설명드리겠지만 우선 전기차에 보편화되어 있는 AC 교류 모터 기준으로 설명드리겠습니다.
고정자 (Stator)
고정자는 이름 그대로 움직이지 않고 고정되어 있는 부품으로 회전자가 회전할 수 있도록 회전 자기장을 발생시키는 역할을 합니다. 구성을 살펴보자면 고정자의 중심을 잡는 코어와 코어 사이를 채우고 있는 코일과 절연지로 구성이 되어있습니다.
고정자의 코어는 여러 장의 얇은 전기강판을 겹겹이 쌓은 형태로 제작이 되며 코일이 들어갈 수 있는 슬롯으로 이루어져 있습니다. 이 슬롯에 들어가게 될 구리로 만들어진 코일은 환선과 각선(헤어핀)으로 종류가 구분이 되는데 그 장단점이 명확하기 때문에 요구하는 설계 사양과 단가에 맞춰 선정이 됩니다. 이 코일을 통해 배터리로부터 공급되는 전류가 흐르게 되고 이를 통해 회전 자기장이 발생되기 때문에 이 코일과 코어를 분리하기 위해 각각에 슬롯에는 절연지가 함께 들어가게 됩니다.
회전자 (Rotor)
다음은 고정자로부터 발생되는 회전 자기장에 반응하여 실제 구동 (회전) 에너지로 변환하는 역할을 하는 회전자입니다. 회전자의 기본적인 구성을 살펴보자면 회전 자기장에 반응하는 회전자 코어, 자성체 (영구자석, 도체, 코일)와 회전 중심축을 이뤄 차량의 바퀴에 구동력을 전달할 수 있는 기어가 있는 샤프트로 구성되어 있습니다. 이외 코어를 고정시켜주는 엔드링, 회전자의 위치를 알려주는 회전자 센서 등 세부 부품이 있지만 오늘은 주요 역할을 하고 있는 코어, 자성체만 알아보겠습니다 (AC 모터 기준).
회전자 코어는 앞서 설명드린 고정자 코어와 동일하게 여러 장의 얇은 전기강판을 겹겹이 쌓은 형태로 제작이 됩니다. 고정자 코어와 같이 모터의 종류에 따라 다르지만 고정자와 반응할 수 있는 자성체가 들어가는 슬롯이 구성됩니다. 이 슬롯에 들어가는 자성체로는 최근 정치적으로도 사용되고 있어 많은 언론에 언급된 희토류로 만든 부품인 영구자석, 도체, 그리고 코일에 있으며 다음 모터의 종류 편에서 이 부분은 조금 더 자세히 설명드리겠습니다. 샤프트는 코어의 중심축에 위치하여 코어가 회전하게 되면 그 회전력을 감속기, 또는 차량 구동축에 전달하는 역할을 합니다. 샤프트에 끝은 기어 형상으로 감속기의 기어와 맞물릴 수 있도록 되어있습니다.
하우징 (Housing)
하우징은 간단하게 말하자면 모터의 주요 부품을 보호하고 고정시키는 케이스로 이해해 주시면 됩니다. 내부 부품들을 고정하기 위해 베어링 같은 부품도 포함되어 있으며 고정자와 회전자에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 수로도 구성되어 있어 업계에서는 모터 부품 중 passive part라고도 표현합니다.
모터 종류별 구조
모터는 전기를 에너지원으로 활용하여 작동하는 부품으로 일반적으로 배터리를 통해 전기를 공급받습니다. 여기서 모터의 큰 카테고리의 종류는 공급받는 전기가 흐르는 방식에 따라 구분이 가능한데 모터에 직류 (DC)로 전달되어 작동하게 되면 ‘DC 모터’, 교류로 변환 후 전달되어 작동하게 되면 ‘AC 모터’가 됩니다. 기본적으로 고정자와 회전자와의 반응을 통해 회전하는 원리는 동일하지만 모터별로 고정자와 회전자가 서로 어떻게 반응하냐에 따라 구조에 차이가 있기 때문에 종류별 구조를 알아보겠습니다.
DC (직류) 모터
먼저 직류 전원을 공급받아 구동 에너지로 변환하는 DC 직류 모터입니다. 직류 모터의 경우 고정자에 영구적으로 자성을 띄고 있는 영구자석이 위치하고, 회전자에는 전류가 흐르는 코일로 이루어져 있어 흘려주는 전류에 따라 고정자의 자석에 반응하는 형식으로 회전합니다. 일반 상식으로 전기를 보낸다, 전달한다라고 하면 전선을 통해 전달하는 것이 기본인데 빠르게 회전하는 회전자에는 어떻게 전달할까요? 일반 상식으로 전기를 보낸다, 전달한다라고하면 전선을 통해 전달하는 것이 기본인데 빠르게 회전하는 회전자에는 어떻게 전달할까요? 회전자가 코일로 이루어진 DC 직류 모터의 경우 코일에 전류를 전달하는 정류자와 브러시 부품이 들어가는데 회전 시 두 부품 간의 접촉을 통해 전기가 전달됩니다.
빠른 속도로 회전하는 회전자에 지속적으로 접촉이 되는 브러시의 마모와 분진으로 DC 직류 모터는 내구성이 다소 떨어진다는 단점이 있습니다. 그러나, 이를 극복하기 위해 브러시리스 모터라고 하여 이 브러시가 없는 모터를 개발하기는 하였으나 전기차에는 효율이 떨어져 초기 BMW i3 모델을 시작이자 마지막으로 직류 모터는 전기차에 사용되고 있지 않습니다.
AC (교류) 모터
다음은 교류 전원을 공급받아 구동 에너지로 변환하는 AC 교류 모터입니다. 교류 모터의 경우 반대로 고정자에 코일로 이루어져 있고, 회전자에 자성체 (영구자석, 도체, 코일 등)가 구성됩니다.
고정자에 감긴 코일에 전류가 흐르게 되면 회전 자기장이 발생하게 되고, 회전자는 자성체를 띄고 있기 때문에 이 회전 자기장에 반응하여 회전하는 방식으로 교류 모터는 구동합니다. 내구성 측면에서도 우수하고 효율도 높기 때문에 현재 전기차 시장에서 교류 모터가 주를 이루고 있고 앞으로도 큰 이변이 없는 한 교류 모터 중심으로 전기차, 또는 전기 에너지를 사용하는 모빌리티의 경우 교류 모터를 구동으로 사용할 것으로 예상됩니다.
WRAP-UP
오늘은 전기차 모터의 구조에 대해 어떤 부품들로 이루어져 있는지에 대한 구성과 역할, 그리고 DC 직류와 AC 교류 모터별로 구조가 어떻게 다른지 알아보는 시간을 가졌습니다. 다음 시간에는 모터의 기본적인 구조를 기반으로 어떻게 전기 에너지를 공급받아 어떻게 회전하는지 모터의 원리에 대해 알아보겠습니다.