전기자동차 이야기③ - 전동기, 어떤 거 쓸까?

전기자동차 이야기③ - 전동기, 어떤 거 쓸까?

: 영구자석 동기전동기 vs 유도전동기

대학생신재생에너지기자단 15기 최명근

[자료1. 모터]

출처:  Techworld

일명 ‘모터’라고 불리는 전동기는 전기자동차가 구동력을 갖게 하는 핵심 부품이다. 기존의 내연기관 자동차에서 엔진의 역할을 대신하는 것으로, 에너지 변환 효율이 40% 미만에 불과한 엔진에 비하여 모터는 90% 이상의 높은 에너지 변환효율을 갖는다. 이 외에도, 양방향 회전이 가능한 점, 다양한 크기로 제작 가능하다는 점 등, 엔진에 비하여 모터는 다양한 장점을 가지고 있다.

전동기는 직류 전동기(DC 모터)와 교류 전동기(AC 모터)로 나눌 수 있다. 현재 전기자동차에서는 교류 전동기가 사용되고 있다. 직류 전동기는 회전하면서 브러시의 마모가 발생하여 1-2년을 주기로 교체해 줘야 하는 단점이 있기 때문에, 전기자동차와 같은 고출력 전동기에서는 사용하기 어렵다.

[자료2. 자동차 기업 별 모터 발전현황]

출처: Tistory

전기 자동차에 사용되는 교류 전동기 또한, 여러 종류로 나눈다. 현재 전기자동차 시장에서 사용되고 있는 전동기는 영구자석 동기전동기(PMSM)과 유도전동기(IM)로 나뉜다. 대부분의 자동차 회사가 영구자석 동기전동기를 채택하고 있지만, 테슬라만이 유도 전동기를 사용한다. 여기서 흥미로운 점은 전기자동차 산업의 선두주자를 달리고 있는 테슬라만이 독자적인 전동기 노선을 취하고 있다는 것이다. 지금부터 왜 테슬라가 유도전동기를 개발하고 있는지 알아보자

영구자석 동기 전동기(PMSM)

[자료3. 동기전동기]

출처:  네이버 블로그

전동기는 그림과 같이 회전하는 부분(회전자)와 고정하는 부분(고정자)로 나눈다. 회전자에서 우리가 생각하는 구동력이 발생하고, 고정자는 이러한 회전력을 얻게 도와주는 부분이다. 그림과 같이 영구자석 동기전동기는 고정자에서 교류 전류(전기자)가 흐르고, 회전자는 영구자석의 형태(계자)로 되어있다.

[자료4. 동기전동기의 회전자계]

출처:  네이버블로그

전류가 흐르면 자기장이 생기고, 3상 교류전류가 계속해서 바뀌면 다음 그림과 같이 자기장의 방향 또한 변화하면서 하나의 방향으로 회전한다. 이는 마치 고정자에서 자석 하나가 끊임없이 하나의 방향으로 회전하는 것과 같다. 우리는 이를 회전자계가 형성되었다고 말한다.

고정자에서 발생한 회전자계에 의해 회전자의 영구자석 또한, 반응하게 된다. 회전자계와 회전자의 영구자석의 상호작용으로 인하여 회전자가 회전하게 되고, 회전자는 회전자계의 속도와 동일한 속도로 돌아가게 된다. 우리는 이를 동기속도로 돌아간다고 말하며, 이러한 이유로 이러한 전동기를 영구자석 동기전동기라고 부른다.

하지만 영구자석 동기전동기가 고정자의 교류가 생긴다고 해서 바로 돌아가는 것은 아니다. 자석 두 개를 가만히 붙여놨다가 갑자기 하나를 매우 빠르게 돌려주면 나머지 자석이 따라오지 못하고 가만히 있게 된다. 이는 자석이 갖고 있는 관성 때문이다. 이와 마찬가지로 영구자석 동기전동기에서도 고정자의 회전자계가 갑자기 1초에 몇십 바퀴의 속도로 회전한다면 회전자의 영구자석은 그 속도를 따라오지 못한다. 그래서 우리는 영구자석이 이러한 회전 자계를 처음부터 따라올 수 있도록 해야 하는 데, 이러한 방법으로는 자기기동법과 유도전동기법 등이 있다.

유도전동기(IM)

그림과 같이 유도 전동기 또한, 고정자는 교류 전류 형태의 전기자, 회전자는 구리나 알루미늄 같은 원판 형태의 계자로 나뉜다.

전기자는 동기전동기와 마찬가지로 교류전류가 흐르고, 이렇게 변화하는 교류전류에 의하여 회전자계가 형성된다. 여기서 유도전동기의 회전자는 동기전동기와 다르게 자석이 아니기 때문에 회전자계와 회전자의 상호작용이 일어날 수 없다고 생각할 수 있지만 회전자 원판 또한, 자석이 될 수 있다.

[자료5. 유도전동기 원리]

출처:  네이버 블로그

다음 그림과 같이 교류전류에서 생긴 회전자계에 의하여 구리원판 주위에 변화하는 자기장이 생성된다. 변화하는 자기장은 전류를 만들어 내고, 원판에 맴돌이 전류가 흐르게 된다. 이러한 맴돌이 전류 또한, 회전자계에 의해 계속해서 변화하게 되고, 회전자계에 의해 끊임없이 변화하는 맴돌이 전류는 다시 원판 내부에 자기장을 생성시킨다. 이렇게 회전자 원판은 자성을 띄게 되고, 회전자계와 회전자의 상호작용으로 인하여 회전자가 회전하게 된다. 유도전동기 역시, 정지한 상태에서는 회전자계의 회전속도를 따라가기 어려움으로 기동이 필요하며, Y-△기동, 기동보상기법 등의 기동법이 있다.

동기전동기와 유동전동기 차이?

유도전동기는 영구자석 동기전동기와 다르게 회전자가 본래 자성을 띄는 물체가 아니고, 회전자계에 의해 생성된 자성이 생성된다. 그래서 동기전동기처럼 회전자계의 속도를 완전히 따라가지 못한 상황에서 회전자가 회전하게 된다. 그래서 유도전동기는 회전자계의 속도보다 느리게 회전한다.

현재 효율과 제어에서 앞서고 있는 것은 영구자석 동기전동기이다. 영구자석 동기전동기는 회전자에 자석을 이용하기 때문에, 더 높은 에너지 출력밀도를 갖는다. 또한, 회전자계와 항상 같은 속도로 회전하기 때문에, 그렇지 않은 유도 전동기보다 속도를 제어하는데 더 편리하고 안정감 있다.

그렇다면 왜??

영구자석 전동기가 효율과 출력에서 앞서있는 것은 사실이며, 많은 기업들도 전기자동차에 영구자석 전동기를 채택했다. 하지만 테슬라와 같이 유도전동기를 선택하는 기업도 있다.

테슬라가 영구자석 전동기의 다양한 장점에도 유도전동기를 선택하는 이유는 무엇일까? 이를 알기 위해선 먼저 희토류라고 하는 물질에 대하여 알아야 한다. 기존의 영구자석 전동기의 회전자에 들어가는 영구자석을 만들기 위해서는 희토류라고 하는 물질이 필요하다. 이것이 영구자석 유도전동기와 유도전동기의 사이의 갈등을 유발하는 핵심적인 소재이다.

희토류?

[자료6. 희토류]

출처: 뉴스래빗

희토류는 ‘희귀한 토양’이라는 의미로 ‘rare earth element’의 직역어다. 전자전이가 쉽고 안정적이라 첨단산업에 반드시 필요한 소재로 평가받고 있다. 희토류 원소의 종류는 다양하지만 전기자동차 영구자석으로 사용되고 있는 원소는 네오디늄(Nd) 원소이다.

⦁ 희토류 시장의 문제

[자료7. 2018년 세계 희토류 생산량]

출처:  Economic Review

문제는 이러한 희토류 원소가 귀하다는 것이고, 가격이 비싸다는 점이다. 이러한 높은 가격의 원인은 단순히 희토류가 귀해서가 아니고, 시장이 중국 독점체제를 갖추기 있기 때문이다 실제 2018년 희토류 생산량에서 볼 수 있듯이, 중국의 희토류 시장 점유율은 약 70-80%에 이른다.

중국의 독점체제를 견제하기 위해 세계 각 국이 희토류 개발을 위해 힘쓰고 있으나 매장량이나 기술력이나 모두 한계가 있는 상황이다. 미국지질조사국(USGS)에 따르면 세계 채굴가능 희토류 매장량은 약 1억2000만 톤이며, 이 중 중국의 매장량은 전체의 36.7%인 4400만 톤에 이를 것으로 추정한다. 또한, 희토류가 귀한 것뿐 아니라 이러한 원소를 고순도로 정제하는 까다로운 기술력을 요구하기 때문에 아직 중국을 따라잡기에는 역부족이다.

[자료8. 미국의 희토류 수입비중]

출처:  Economic Review

2018년 미국 같은 경우에도 희토류 수입비중에 중국이 80%를 차지할 만큼 그 영향력은 어마어마하다. 현재 중국과 미국의 무역전쟁에서도, 중국이 미국에 희토류 압박카드를 꺼내들 정도로 희토류 전쟁은 더욱 커질 것으로 예상된다.

유도 전동기의 장점과 발전

테슬라가 유도전동기를 선택한 이유는 다양하겠지만, 희토류의 가격 문제와 중국의 영향이 없지는 않았을 것으로 예상된다. 하지만 테슬라가 유도전동기가 영구자석 전동기보다 기술적으로 더 나은 부분도 많다고 생각했기 때문에 선택했을 것이고, 실제로 유도전동기가 영구자석 전동기보다 가지고 있는 장점 또한 다양하다.

먼저, 유도전동기는 영구자석 전동기보다 저렴하다. 유도전동기의 회전자는 구리나 알루미늄 등의 원판이 이용되기 때문에, 값싸게 모터를 제작할 수 있다. 또한, 유도전동기 회전자의 단단한 내구성으로 외부환경조건에 대하여 안정적이다. 이외에도, 영구자석에서 발생하는 열을 해결하는 데 어려움이 있는 등 영구자석 동기전동기도 장점만 있지는 않다. 따라서 가격적인 측면과 안정성을 고려한다면 유도전동기를 선택하는 것이 더 좋은 대안이 될 수 있다.

[자료9. 고정자 냉각 시스템]

출처: 월간전기

유도전동기의 문제로 지적되었던 효율과 출력밀도 부분도 점점 개선되고 있다. 테슬라는 유도전동기 모터가 낼 수 있는 출력의 4배에 해당하는 출력을 발생시키고, 4배로 발생하는 열에 대하여 회전자에 고성능 냉각 시스템을 설계하여 효율을 개선하였다.

결론

현재에도 전기자동차 시장에 있어서 영구자석 전동기의 비중은 유도전동기보다 높은 것은 사실이다. 테슬라의 독자적인 유도 전동기 노선은 유도 전동기의 발전 그 이상의 의미가 있다. 유도 전동기의 개발은 영구자석 전동기 회사에서도 큰 자극을 불러일으키고, 이는 영구자석 동기전동기 발전으로 이어지기 때문이다. 영구자석 동기전동기와 유도전동기의 건강한 경쟁체제가 전동기의 발전으로 이어질 수 있기를 기대해본다. 미래 전기자동차의 모터로 선택될 전동기는 과연 영구자석 동기전동기 일지, 유도 전동기일지, 한 번 지켜보는 것도 하나의 재미요소가 될 것이다.

 

 

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참고문헌

[서론]

1) 선연수, ‘전기차 모터 기술 현황‘, TechWorld, 19.10.10

http://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=92201

[동기전동기와 유동전동기]

1) 아드반, ‘동기전동기’,  네이버블로그, 20.07.03

동기 전동기 : 네이버 블로그 (naver.com)

2) 아드반, ‘유도전동기의 원리’,  네이버블로그, 20.07.03

유도 전동기의 원리 : 네이버 블로그 (naver.com)

[동기전동기와 유동전동기 차이?]

1) ‘전기차 모터에 대해 알아보자’, EVPost, 19.09.09

https://www.evpost.co.kr/wp/%EB%B0%B0%ED%84%B0%EB%A6%AC-%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%B0%A8-%EB%AA%A8%ED%84%B0%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EC%9E%90/

2) 구본길 외 1명, "유도전동기를 사용한 전기자동차 구동용 전동기 설계", 포항공과대학교,  2015.11

[희토류]

1) 김태호 ,'희토류 대체 뭐길래, 무기화 가능성 반복되나?', Economic Review , 19.05.31

https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=364395

2) 박진우, ‘[팩트체크] 중국 '희토류' 항전 자신감…美전기차배터리 '란타넘' 99% 중국 손에’, 한국경제, 19.05.28

http://newslabit.hankyung.com/article/201905277318G

[유도 전동기의 장점과 발전]

1) 배진용, ‘테슬라 전기자동차 핵심 특허기술 분석(1)’, 월간전기, 17.09.01

https://www.energy.co.kr:455/m/?a_id=8983