전기차와 UAM 등 E-모빌리티의 동력을 담당하는 모터의 차세대 모터인 축방향 자속모터의 원리, 구조, 장단점에 대해 단 5분 안에 소개해드리겠습니다.
축방향 자속 모터의 원리와 구조
최근 전기차의 들어가는 핵심 부품으로 배터리에 대한 관심이 뜨겁지만 전기차에서 배터리 다음으로 재료비가 높고 중요한 부품이라고 여겨지는 모터 또한 이어서 관심을 받기 시작했습니다. 현재 상용화된 모터를 개선하는 연구개발도 진행 중이지만 더 나아가 시스템 자체가 다르지만 성능과 비용을 크게 개선할 수 있는 차세대 모터로 축방향 자속모터가 개발되고 있어 어떤 원리로 작동하고, 구조는 어떻게 되는지 살펴보겠습니다.
축방향 자속 모터의 원리
모터의 종류에 따라 다르겠지만 전기차에 주로 탑재되고 있는 영구자석 동기 모터 (PMSM)와 유도 모터 (Induction Motor)의 구동 원리를 보자면 고정자에서 방사형으로 자속 (Radial Flux)을 형성하여 회전자를 구동시키는 방식입니다. 회전자의 중심축인 샤프트와 수직 방향으로 자속을 발생시켜 회전자에 있는 영구자석, 또는 도체와 반응하여 회전하는 원리인 거죠.
그럼 오늘 이야기하고자 하는 축방향 자속모터는 어떤 원리로 구동되는 걸까요?
축방향 자속 모터는 현재 적용되고 있는 방사형 자속 모터와 다르게 회전자의 샤프트와 수직이 아닌 평행한 방향으로 자속 (Axial Flux)을 발생시켜 회전자가 반응하는 원리입니다. 기존의 모터 구동 원리에서 정반대의 개념으로 200년이 넘는 오랜 시간 동안 개발되었고 주로 사용되었던 원리와 반대로 구동되는 시스템이죠.
축방향 자속 모터의 구조
모터의 원리가 기존과 다르기 때문에 모터의 구조 또한 정반대로 다르게 구성되어 있습니다. 기존 방사형 자속 모터는 고정자가 외부에 위치하고, 그 내부에 회전자를 구성하여 고정자에서 발생하는 회전 자기장에 회전자가 반응하도록 구조가 이루어져 있는데 축방향 자속 모터는 간단하게 말하자면 이 회전자가 안에 위치하고 회전자가 고정자 바깥에 위치하는 구조로 이루어져 있습니다.
구조적으로만 봤을 때 기존 방사형 자속 모터 대비 압축된 형태이기 때문에 뒤에 장단점 부분에서도 설명드리겠지만 동일한 출력과 토크 기준으로 출력밀도와 탑재성이 유리합니다. 또한, 고정자와 회전자를 겹겹이 쌓는 적층 구조를 이용하여 2개의 고정자를 적용하여 면적은 일부 늘어나겠지만 출력을 높이는 방향으로도 응용이 가능합니다.
축방향 자속 모터의 장단점
축방향 자속 모터는 어떤 장점으로 차세대 모터라고 불리고 있으며, 어떤 단점 때문에 아직 상용화가 안되고 있는 건지 장단점을 확인해 보겠습니다.
[장점 1] 높은 출력과 토크
축방향 자속 모터는 기존 모터와 비교했을 때 상대적으로 출력과 토크가 높다는 장점이 있습니다. 통상적으로 출력과 토크는 자속의 면적에 비례하게 되는데 기존 영구자석 모터와 비교했을 때 축방향 모터는 구조적으로 고정자 양쪽 회전자에 큰 면적을 가진 영구자석이 적용되기 때문에 높은 출력과 토크를 가지고 있습니다.
이에 반해 방사형 자속 모터의 경우 회전자의 영구자석 면적을 늘리게 되면 축방향, 그리고 횡방향으로 사이즈가 늘어나기 때문에 상대적으로 축방향 자속 모터가 높은 성능을 가지게 되는 거죠.
[장점 2] 높은 냉각 성능
축방향 자속 모터는 구조 자체가 간단하게 구성되어 있기 때문에 열을 배출해 내는 냉각 성능이 우수합니다. 이는 모터의 성능과 효율에 주요한 영향을 주는데 축방향 자속 모터의 구조를 보게 되면 방사형 자속 모터와 다르게 고정자 코일이 고정자의 코어를 통과하여 권선 되는 방식이 아닌 고정자 바깥에 권선되는 방식으로 열방출에 유용하고, 회전자와 고정자가 겹겹이 적층된 구조로 인한 부품 간 GAP으로 냉각 성능이 유리합니다.
이에 반해 방사형 자속 모터는 코어 내부로 코일이 권선되고 고정자와 회전자 간 GAP이 타이트하기 때문에 냉각성능이 상대적으로 불리합니다.
[장점 3] 콤팩트한 사이즈
축방향 자속 모터의 가장 큰 장점인 사이즈입니다. 구조적으로 축방향으로 주요 부품이 구성되어 있기 때문에 동일 성능 기준 소형화가 가능하고 출력 밀도가 높습니다. 이에 기존 모터에서는 모터 탑재 부피를 크게 줄여 배터리를 더 탑재하여 주행거리를 높인다든지, 또는 프렁크 공간을 개선할 수도 있으며 궁극적으로는 인휠모터로 사용되어 전기차의 시스템을 포함하여 내부적으로도 혁신적으로 개발할 수 있습니다.
[단점 1] 높은 재료비
축방향 자속 모터는 기존 모터 대비 영구자석의 비중이 큽니다. 이 영구자석에는 ‘네오디뮴, Nd’를 포함하여 희토류 원소가 들어가게 되는데 이는 현재 중국에서 시장의 80%를 차지하고 있기 때문에 변동성이 크고 정치적으로도 사용될 여지가 있습니다. 이에 새로운 종류의 영구자석이 개발되기 전까지는 이러한 사유로 수급이 불안정하고 재료비가 높다는 단점이 있습니다.
[단점 2] 높은 생산성
구조적으로 소형화가 가능하다는 장점이 있지만 이를 구현하기 위해 높은 생산성이 요구된다는 단점이 있습니다. 모터에서 회전자가 원활하게 반응할 수 있도록 고정자와 회전자 사이에 일정한 간격 (Air Gap)을 유지하는 것이 중요한데 축방향 자속 모터의 경우 고정자의 양방향으로 이 간격을 구현해야 하기 때문에 부품면에서도 세밀한 공차 관리가 필요하지만 생산 특면에서도 조립 시 틀어지지 않도록 세밀한 공정이 요구됩니다.
WRAP-UP
전기차 보편화를 위한 차세대 모터로 떠오르고 있는 축방향 자속 모터의 원리, 구조, 장단점에 대해 알아보았습니다. 아직 상용화되기까지 많은 연구 개발과 투자가 필요하지만 하루빨리 상용화가 되어 탄소제로를 달성될 수 있었으면 좋겠습니다.