전기차 모터 종류는 크게 직류 모터와 교류 모터로 구분되고, 각각 브러시/브러시리스 모터와 영구자석 모터, 유도 모터, 계자권선형 모터 등으로 구분할 수 있습니다.
이처럼 수많은 종류의 모터가 전기차에 적용되고 있지만 현재 주로 적용되고 있는 모터와 종류별로 장단점이 어떻게 되는지, 그리고 차세대 모터는 어떻게 되는지 알아보도록 하겠습니다.
전기차 모터의 원리
모터는 서로 이끌거나, 밀어내는 자석의 성질을 활용하여 회전하는 원리를 가지고 있습니다. 이는 고정자와 회전자 간 자석의 성질을 이용하여 반응하는 방식으로 회전합니다. 부품별 명칭과 같이 고정자는 고정되어 있는 상태에서 자석, 또는 회전 자기장을 형성하게 되면 회전자가 이에 반응하여 구동 (회전) 에너지를 발생시키게 됩니다.
* 모터의 원리와 구조에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 참조하시기 바랍니다.
모터 종류별 회전 원리
모터는 전기를 에너지원으로 활용하여 작동하는 부품으로 일반적으로 배터리를 통해 전기를 공급 받습니다. 여기서 모터의 큰 카테고리의 종류는 공급받는 전기가 흐르는 방식에 따라 구분이 가능한데 모터에 직류로 전달되어 작동하게 되면 ‘DC 모터’, 교류로 변환 후 전달되어 작동하게 되면 ‘AC 모터’가 됩니다.
DC 직류 모터
먼저 직류 전원을 공급 받아 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.
AC 교류 모터
다음은 교류 전원을 공급 받아 구동 에너지로 변환하는 AC 교류 모터입니다. 교류 모터는 직류 모터와 반대로 고정자에는 전류가 흐르는 코일로 이루어져 있고, 회전자에는 영구자석이나 자성에 반응하는 도체, 또는 코일로 이루어져 있어 고정자에서 발생하는 회전 자기장에 반응하여 회전합니다.
전기차 모터 종류 및 장단점
앞서 설명드린 DC 직류 모터와 AC 교류 모터별로 전기차 모터 종류가 구분됩니다. 모터별로 특징이 명확하기 때문에 전기차에 탑재되었을 때 어떤 장단점이 있는지도 함께 알아보겠습니다.
DC 직류 모터 : 브러시 모터, 브러시리스 모터
DC 직류 모터에는 브러시 모터와 브러시리스 모터가 있습니다. 현재 전기차 시장에는 직류 모터보다 교류 모터를 중심으로 적용되고 있지만 전기차 시장 초기에 적용되기도 했고 차세대 모터로 개발되고 있는 계자 권선형 모터가 이 직류 모터의 컨셉을 응용했기 때문에 확인해 보겠습니다.
브러시 모터
직류 모터의 기본인 브러시 모터입니다. 회전자에 있는 정류자에 브러시가 접촉되어 전원을 공급해 주는 방식으로 회전자에 전류가 흐르게 되면 고정자의 자석에 반응하는 형식으로 회전합니다.
브러시 모터는 가격이 저렴하고 제어가 간단하다는 장점이 있지만, 그에 반면에 지속적으로 접촉되는 브러시로 인해 수명이 짧고, 수리 비용이 발생하며 발열이 많은 단점이 있습니다.
- 장점 : 저렴한 가격 / 간단한 제어
- 단점 : 짧은 수명 / 빈번히 발생하는 수리 비용 / 심한 발열
브러시리스 모터
브러시 모터의 단점을 보완하여 브러시가 없는 형태의 브러시리스 모터 (Brushless DC Motor)입니다. 회전자의 정류자와 브러시와의 접촉으로 인한 단점을 개선하기 위해 교류 모터 구조를 적용하였습니다. 고정자는 코일로, 회전자는 영구자석으로 이루어져 고정자에서 형성된 자극에 회전자가 반응하는 원리로 회전합니다.
장점으로는 브러시가 없기 때문에 수명이 길고, 마찰이 없어 발열이 적지만, 제어가 어려워 추가적인 제어 장치가 많이 적용되어 가격이 높다는 단점이 있습니다.
- 장점 : 반영구적 수명 / 적은 발열
- 단점 : 복잡한 제어 / 높은 가격
AC 교류 모터 : 영구자석 모터, 유도 모터
AC 교류 모터에는 많은 종류가 있지만 시장에 많이 탑재되고 있는 모터로는 영구자석 동기 모터와 유도 모터가 있습니다. DC 직류 모터와 다르게 전기차 시장에 교류 모터를 위주로 적용되고 있으며 어떤 장단점 때문에 보편화됐는지 알아보겠습니다.
영구자석 동기 모터
교류 모터의 기본인 영구자석 동기 모터 (Permanent Magnet Synchronous Motor)는 이전 설명과 같이 코일로 이루어진 고정자에서 회전 자기장을 형성하면 고정자 안쪽에 위치하고 영구자석이 적용된 회전자가 이에 반응하여 동시에 회전하는 원리로 구동됩니다.
다만 최근 정치적으로 이용되고 있는 희토류 원소가 적용되는 영구자석으로 인해 재료비와 수급 측면 불안정한 단점이 있지만 생산성이 높고 주행거리에 큰 영향을 주는 효율 측면에서 가장 뛰어나기 때문에 현재 전기차 시장에 보급된 전기차의 90% 이상에 적용되고 있습니다.
- 장점 : 높은 생산성 / 높은 효율
- 단점 : 불안정한 재료비 및 부품 수급
유도 모터
유도 모터 (Induction Motor)는 영구자석 모터와 유사하게 코일로 이루어진 고정자에서 회전자기장을 형성하여 회전하는 원리를 가졌지만 영구자석이 아닌 자성에 반응하는 도체가 적용되어 회전 자기장에 유도되어 회전하는 원리로 구동됩니다.
영구자석이 없기 때문에 수급 측면에서 유리하고, 구조가 간단하기 때문에 내구성이 높고 재료비가 저렴하다는 장점이 있습니다. 또한, 고속에서의 효율이 높아 고성능 차량인 테슬라 모델 S, 아우디 E-tron 등에서 적용되고 있습니다. 다만 영구자석 모터 대비 일반 효율이 떨어지고 회전자가 회전 자기장에 유도되는 원리다 보니 제어가 어렵다는 단점이 있습니다.
- 장점 : 높은 생산성 / 높은 내구성 / 저렴한 가격 / 고속 주행 시 높은 효율
- 단점 : 낮은 효율 / 복잡한 제어
차세대 전기차 모터
과거에 적용되었던 직류 모터와 현재 적용되고 있는 교류 모터 종류를 알아보았는데 그렇다면 앞으로 전기차에 적용될 차세대 모터는 어떻게 될까요?
계자 권선형 모터
계자 권선형 모터는 교류 모터 원리로 작동하지만 직류 모터 컨셉이 적용된 하이브리드 모터입니다. 고정자는 일반 교류 모터와 같이 코일로 이루어져 회전 자기장을 형성하는데, 회전자는 직류 모터와 같이 코일로 이루어져 고정자에서 형성된 회전 자기장에 반응할 수 있도록 전류가 흐르게 됩니다.
계자 권선형 모터 (Wound Rotor Synchronous Motor)는 복잡한 구조로 인해 생산성이 떨어지고 가격이 높다는 단점이 있습니다. 이러한 단점에도 효율 측면에서 영구자석 모터보다는 떨어지지만 유도 모터보다는 높은 수준의 준수한 효율과 영구자석이 적용되지 않아 수급 측면에서 안정적인 장점으로 업계에서는 차세대 전기차 모터로 논의되고 있습니다.
- 장점 : 준수한 효율 / 안정적인 부품 수급
- 단점 : 복잡한 구조 / 생산성 저조 / 높은 가격
축방향 자속 모터
축방향 자속 모터 (Axial Flux Permanent Magnet Motor)는 교류 모터 원리로 작동하지만 기존 고정자가 형성하는 회전 자기장이 90도로 틀어진 축방향으로 형성되어 회전자를 회전시키는 새로운 형태의 모터입니다. 아직 상용화되지 않았기 때문에 가격이 높고 구동을 위해 영구자석이 많이 들어간다는 단점이 있지만, 기존 모터 대비 소형화가 가능하여 출력 밀도가 높고 효율이 뛰어나다는 장점이 있어 전기차에 인휠 모터로 적용되거나, UAM에 적용되는 등 차세대 기술로 떠오르고 있는 모터입니다.
* 자세한 내용은 축방향 자속 모터에 대해 정리한 아래 링크를 참조하시기 바랍니다.
WRAP-UP
오늘은 전기차 모터 종류에 대해 직류 모터의 브러시/브러시리스 모터, 교류 모터의 영구자석 모터와 유도 모터, 그리고 차세대 모터인 계자 권선형 모터와 축방향 자속 모터에 대해 알아보았습니다. 200년이 넘는 세월 동안 개발되었고 사용된 모터이지만 아직도 개발할 영역이 남아있다는 게 신기합니다. 더 효율 높은 모터가 개발이 되어 전기차 기술이 가속화 되었으면 좋겠습니다.