전기차 모터의 원리 및 종류

일반 내연기관의 자동차는 엔진으로 구동력을 발생하게 되는데요 전기차는 이런 내연기관을 대신하여 구동력을 발생시키는 장치가 전기 모터입니다. 배터리에 저장되어 있는 전기에너지를 운동에너지로 변환시키는 장치라고 설명할 수 있습니다. 또한 감속 시에는 발전기 역할도 하게 되어 회생제동 시스템을 통해 주행 시 발생하는 운동에너지를 다시 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장할 수도 있게 해줍니다. 이런 전기차 모터에는 어떤 종류가 사용되고 있는지 작동원리는 어떻게 되는지 간략하게 알아보겠습니다. 

전기 모터의 종류

전기 자동차에서 모터는 자동차가 구동력을 갖게 하는 부품입니다. 일반적으로 내연기관을 사용하는 자동차에서 엔진의 역할을 하는 것으로 에너지 변화 효율이 90% 이상으로 높고 양방향 회전이 가능하며 다양한 크기로 제작이 가능하다는 장점이 있습니다. 

 

모터는 크게 입력되는 전기의 분류에 따라 교류 전원을 사용하는 AC 모터, 직류 전원을 사용하는 DC 모터로 크게 나눌 수 있습니다. 이는 다시 브러쉬(Brush)를 사용하는 브러쉬 모터, 브러쉬 없이 작동하는 브러쉬리스(Brushless) 모터로 나눌 수 있습니다. 

 

AC(교류) 모터는 유도 모터(비동기식)와 동기 모터로 나눌 수 있습니다. 유도 모터는 교류 전기를 입력하고 고정자에 회전 자계를 발생시킴으로써 회전자에 유도 전류가 발생하게 하여 그것의 상호작용으로 회전하게 되는 모터입니다. 유도 모터는 가격이 저렴하고 단순한 구조라는 장점이 있지만 효율이 떨어지고 저속도에서 발생 토크가 낮다는 단점이 있습니다. 동기식 모터는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)라고 부릅니다. 회전자가 영구 자석이고 고정자 코일을 제어해서 모터를 회전시킵니다. 이는 BLDC(Brusless DC) 모터와 비슷하지만 BLDC 모터는 역기전력이 사다리꼴 형태이고 PMSM 모터는 사인파 형태로 다르다는 차이가 있습니다. 이런 차이로 인해 PMSM 모터가 더 부드럽고 정밀하게 제어가 가능한 장점이 있습니다. PMSM 모터는 효율이 높고 저속에서 토크가 높게 발생하여 전기차 모터로 가장 많이 사용되는 모터입니다.

 

 

DC(직류) 모터는 브러쉬(Brush) 모터, 브러쉬리스(Brushless) 모터, 스테핑 모터로 나눌 수 있습니다. 브러쉬 모터는 일반적으로 가장 많이 사용되는 모터이며 흔히 DC 모터라고 부릅니다. 브러쉬(Brush, 고정자측)라고 부르는 전극을 정류자(전기자측)으로 순차적으로 접촉시킴으로써 전류를 전환하여 회전 동작하는 특징이 있습니다. 브러쉬 모터는 브러쉬가 접촉하여 회전하면서 전기자 전류의 극성을 바꾸게 됩니다. 그렇기 때문에 기계적으로 소음을 일으키고 전기적으로도 잡을 발생시키는 단점이 있습니다. 기계적 접촉에 따라 내구성이 떨어지는 점도 단점이라고 할 수 있습니다. 따라서 내구성이 중요한 전기차에서 구동 모터로 적용하기에는 부적합하다고 할 수 있습니다.

 

브러쉬리스(Brushless) 모터는 Brush와 정류자를 사용하지 않고 트랜지스터의 스위칭 기능을 이용하여 전기적으로 전류를 전화하여 회전 동작하는 특징을 가집니다. 흔히 BLDC 모터라고 불립니다. 브러쉬 모터와는 달리 기계적인 접촉이 없는 모터이기 때문에 고정자는 코일, 회전자는 영구자석으로 구성되어 있습니다. 홀센서를 이용해서 회전자의 극성을 파악하고 고정자의 코일을 제어하는 방식을 적용합니다. 브러쉬에 의한 기계적 접촉이 없으므로 마찰에 의한 손실이 적고 소음 발생도 낮기 때문에 수명이 길고 내구성이 뛰어나 전기 자동차용으로 적용 가능한 모터입니다. 스테핑 모터는 펄스에 동기화하여 동작하는 모터입니다. 펄스 모터라고도 하는데요 정학한 위치 제어 동작이 실현가능하다는 특징을 가집니다. 

전기 모터의 작동 원리

물리적으로 자기장이 형성되어 있을 때 전류가 흐르게 되면 힘이 발생합니다. 플레밍의 왼손 법칙에 의하면 전류와 자기장의 방향에 의해 자기력의 방향을 결정할 수 있습니다. 영구 자석 사이에 있는 코일에 전류가 흐르면 코일 사이에 작용하는 자기력에 의해 코일이 회전하게 되고 코일의 회전면이 자기장에 수직이 되는 순간 정류자에 의해 전류의 방향이 바뀌게 되므로 코일은 한쪽 방향으로 계속해서 회전하게 됩니다. 이것이 모터 작동의 기본 원리입니다.

 

전기차 회사들의 적용 모터 

2012년 테슬라가 모델 S를 발표했을 때 전기 모터는 유도 모터 (Induction Motor)를 적용하였습니다. 이 당시 유도 모터에서 발생하는 히스테리시스와 와전류 손실에 의해 고정자 및 회전자에서 생기는 열을 냉각시키는 기술을 개발하여 특허까지 출원하였습니다. 그러나 모델3을 발표하였을 때는 유도 모터가 아닌 영구 자석을 이용한 동기 모터를 적용하였습니다. 이른바 IPM-SynRM(Internal Permanent Magnet Synchronous Motor)라 불리는 모터입니다.

현재 대부분의 자동차 업체들이 동기 전동기 (PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)를 적용하고 있는데요 현대자동차의 아이오닉 5, 기아자동차의 EV6 등에 PMSM 방식의 EV 구동 모터가 장착되어 있습니다. 특징으로써 모터 코일 내부에 헤어핀 권선 기술이라는 것이 적용되어 있어 기존 원형의 코일과 비교하여 고정자에 코일을 좀 더 촘촘하게 감을 수 있어서 효율을 높일 수 있다고 합니다.