가격상승과 수출규제 강화로 인해 희토류 원소, 레어어스의 공급 불안정화가 이어지고 있는 가운데 영구자석 동기모터(PMSM)의 역할이 날로 커져만 가고 있다. 이에 본고에서는 희토류 자석을 사용하지 않는 고성능 레어어스 프리 모터를 개발하기 위한 일본 국내의 노력과 활동을 소개함과 동시에 일본 각종 연구단체에서 제안하고 있는 페라이트 자석을 이용한 로터 세그먼트형 액시얼 갭 모터에 대해 해설한다.
번역·정리 김대근 기자
최근 화석연료의 연소로 인한 CO₂배출량 절감 및 석유 등의 에너지 자원 고갈 대책으로 자동차에 대한 에너지 이용효율의 향상, 다시 말해 연비향상에 대한 요구가 해마다 높아지고 있다. 그 해결책의 하나로 주목받고 있는 것이 하이브리드 자동차(HEV)와 전기자동차(EV)로 일본 국내뿐만 아니라 전 세계에 급속하게 보급되고 있는 실정이다. 현재의 HEV 및 EV의 구동 시스템에서 중요한 역할을 하고 있는 것이 바로 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor: PMSM)이다. HEV 및 EV의 구동용 PMSM에는 고출력·고효율·소형화라는 매우 높은 성능들이 요구되며, 이러한 요구에 부응하기 위해 고성능 영구자석인 희토류 자석이 PMSM에 채용되고 있다. 그러나 희토류 자석의 원재료인 네오디뮴(Neodymium, 네오딤Neodym) 및 디스프로슘(Dysprosium) 등의 희토류 원소, 레어어스는 세계 출산량의 90% 이상을 중국이 보유하고 있어 매우 심한 편재성을 띠며, 가격상승 및 수출규제 강화로 인해 공급의 불안정화가 이어지고 있다. 특히 가격 상승폭이 매우 심해 2011년 5월 하순을 시점으로 네오디뮴이 1㎏당 320달러, 디스프로슘은 1㎏당 1200달러로 작년 말 대비 6개월 만에 가격이 3배로 껑충 뛰어올랐다. 이에 따라 일본과 같이 레어어스를 수입에 의존해야하는 나라에서는 희토류 자석을 사용하지 않는 고성능 레어어스 프리 모터의 연구·개발에 착수할 필요성이 높아지고 있다. 본고에서는 이러한 배경하의 레어어스 프리 모터에 대한 연구활동을 소개함과 동시에 도쿄이과대학, 도쿄공업대학, 그리고 홋카이도 대학의 연구단체에서 개발 중에 있는 페라이트 자석을 이용한 로터 세그먼트형 액시얼(축軸 방향) 갭 모터(Ferrite Permanent Magnet Axial Gap Motor with Segmented Rotor Structure)에 대해 해설한다.
레어어스 프리 모터에 대한 연구
레어어스를 사용하지 않는 모터를 개발하기 위해 2008년부터 NEDO의「차세대 자동차용 고성능 축전 시스템 기술개발」의 일환으로서 다양한 연구팀에 의해 레어어스 프리 모터에 대한 연구가 진행되고 있다.
페라이트 자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터
오사카 부립 대학과 다이킨 공업㈜의 연구팀에 의해 페라이트 자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 연구가 진행되고 있다. 자기적 돌극성에 의해 생기는 릴럭턴스 토크로 구동력을 발생시키는 멀티 플럭스 베리어형 동기 릴럭턴스 모터(Multi-Flux Barrier Synchronous Reluctance Motor)에서 플럭스 베리어 부분에 페라이트 자석을 삽입함으로써 고토크화, 역률 및 효율 향상을 목표로 하고 있다. 플럭스 베리어 및 페라이트 자석의 형상을 연구할 뿐만 아니라, 입체 갭 구조라고 하는 새로운 컨셉을 제안하는 등 모터 성능의 향상을 위해 노력하고 있다.
적층 자극(磁極)형 크로폴 모터
미쓰비시전기㈜의 연구팀에 의해 적층 자극형 크로폴 모터의 연구가 진행되고 있다. 자동차의 교류발전기(Alternator) 등에 자주 사용되고 있는 크로폴 모터를 대형화함으로써 HEV 및 EV에서의 사용을 목표로 하는 모터이다. 크로폴 자극(磁極)을 적층 강판으로 구성하고, 로터 내의 자기 포화(磁氣飽和)를 완화시키기 위해 페라이트 자석을 회전자 내에 설치함으로써 모터 성능의 향상을 꾀하고 있다.
스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor: SRM)
도쿄이과대학과 도쿄공업대학, 그리고 홋카이도 대학의 연구팀에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)의 연구가 진행되고 있다. 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)는 고정자와 회전자 모두 돌극 구조를 가지는 회전기이며, 자기적 돌극성에 의해 생기는 릴럭턴스 토크만으로 구동력을 발생시킨다. 이 때문에 영구자석 및 2차 권선이 불필요하며, 고정자와 회전자 모두 단순한 구조로서 내구성이 좋고 저렴하다. 고정자와 회전자의 극수의 조합 및 모터 각부의 형상을 최적화함으로써 모터 성능의 향상을 도모하고 있다.
로터 세그먼트형 액시얼 갭 모터
도쿄이과대학, 도쿄공업대학, 그리고 홋카이도 대학의 연구단체에서는 앞서 소개한 스위치드 릴럭턴스 모터 이외에 희토류 자석의 대체로서 페라이트 자석을 사용한 실제 사이즈의 HEV 구동용 액시얼 갭 모터의 연구 개발에 임하고 있다. 그러나 페라이트 자석을 사용함에 있어 문제가 되는 것은 페라이트 자석의 최대 에너지 곱이 희토류 자석의 약 1/10로, 자석에서 생기는 계자자속에 의해 발생한 마그넷 토크가 큰 폭으로 감소해버린다는 점이다. 또한 소형 모터 사이즈에서 수십kW급의 큰 출력을 필요로 하는 HEV 구동용에서는 대전류를 통과시킬 필요가 있으며, 이 경우 약계자(弱界磁) 자속에 대한 페라이트 자석의 불가역 감자가 매우 진행되기 쉽다는 문제도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안하는 모터로서 일반적인 레이디얼 갭형의 모터 구조에 비해 공간을 유효하게 활용할 수 있어 토크의 증가가 기대되는 액시얼 갭형의 모터 구조를 채용했다. 또한 회전자 구조에서는 마그넷 토크의 감소를 보완하기 위해 릴럭턴스 토크를 유효하게 발생시킬 수 있고, 불가역 감자에도 내구력을 지니는 로터 세그먼트 구조를 새롭게 제안하고 있다. 여기서는 페라이트 자석을 이용한 로터 세그먼트형 액시얼 갭 모터의 구조를 설명하고, 제작한 시작기(試作機)의 실부하 시험(Actual Loading Test, 實負荷試驗) 결과를 토대로 제안 모터의 특성을 소개한다.
모터 구조
연구를 실시함에 있어 비교대상으로 한 시판 중의 HEV 구동용 PMSM의 사양을 [표 1]에 나타냈다. 이 비교대상의 PMSM은 실제로 시판되고 있는 HEV에 탑재되어 있으며, 희토류 자석을 사용한 레이디얼 갭형의 IPM 구조이다. 최대 출력은 50kW, 최대 토크는 400Nm, 최대출력밀도는 5.6kW/L이다. 제안하고 있는 모터는 비교대상의 PMSM과 동일한 치수로 동등의 출력을 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 정격전류밀도에 관해서는 비교대상의 PMSM에 대해 2차원 유한요소법에 의한 자장해석을 실시하여 그 해석결과로부터 추정한 값을 사용했다. [그림 1]은 제안하는 모터의 전체상을 나타낸 것으로 2개의 고정자 사이에 1개의 회전자가 위치하는 내부 로터(Internal Rotor)·외부 고정자(External Stator)형의 액시얼 갭 모터이다. 일반적으로 HEV 구동용 모터의 모양은 편평하며, 모터의 모양이 편평한 경우 액시얼 갭형은 레이디얼 갭형에 비해 고토크화를 기대할 수 있다. 또한 페라이트 자석의 사용으로 마그넷 토크의 저하를 보완할 수 있다. [표 2]에 시험 제작한 모터의 제원(諸元)을 나타냈다. 모터의 체적은 8.81L로, 비교대상의 희토류 자석을 이용한 HEV 구동용 PMSM의 코일엔드를 포함한 모터 체적 8.92L와 비교해 거의 동등의 체적이다. 또 회전자의 구조만을 [그림 2]에 나타냈다. 제안하는 회전자의 구조는 [그림 2]에 보이는 스포크(Spoke, 바퀴살) 형태의 비자성(非磁性) 스테인리스강을 지지 부재로 하여 페라이트 자석과 압분철심(壓粉鐵心 Soft Magnetic Composite: SMC)이 번갈아 들어가는 구조로 되어 있다. 자석은 축 방향에 평행하게 착자(着磁)되고, 착자 방향은 번갈아 반대를 향하고 있다. 회전자 디스크에 자성체의 로터 요크는 존재하지 않고, 페라이트 자석과 SMC코어가 각각 세그먼트를 형성하기 때문에 이 회전자 구조를 로터 세그먼트 구조라 부르고 있다. 페라이트 자석은 지지 부재에 접착제로 고정시키고, SMC 코어는 나사와 접착제로 고정시킨다. 로터 세때문에 d축상의 자로(磁路)는 투자율이 작은 페라이트 자석 세그먼트만을 관통한다. 한편, q축상의 자로는 투자율이 큰 SMC 코어 세그먼트만을 관통한다. 따라서 기존의 액시얼 갭 모터로 회전자의 돌극성에 의해 발생하는 릴럭턴스 토크를 일반적인 회전자 구조인 SPM 구조 및 인세트(Inset) 구조에 비해 유효하게 발생시킬 수 있다. 또 동일한 이유에서 페라이트 자석에 흘러들어가는 약계자 자속을 줄일 수 있어 로터 요크가 없는 만큼 페라이트 자석을 두껍게 할 수 있기 때문에 불가역 감자의 대책으로도 활용 가능하다.
시작기의 구성
[그림 3]의 (a)는 비자성의 스테인리스강으로 제작한 스포크 형태의 지지 부재와 샤프트(축)의 사진이다. [그림 3]의 (b)는 회전자의 SMC 코어를 나타낸 사진이다. [그림 3](a)의 지지 부재에 [그림 3](b)의 SMC 코어가 나사와 접착제로 고정되어 SMC 코어 세그먼트를 형성한다. 한편, 페라이트 자석은 지지 부재에 접착제로 고정되어 페라이트 자석 세그먼트를 형성한다. 지지 부재에 SMC 코어와 페라이트 자석의 S극이 고정된 회전자의 사진(제작 중)이 [그림 3]의 (c)이다. 비어있는 나머지 부분에 페라이트 자석의 N극이 설치되어 회전자가 완성된다. [그림 4]의 (a)는 8분할된 고정자의 SMC 코어를 나타낸 것이다. 이 8분할된 SMC 코어를 케이스 덮개에 압입하고, 케이스 덮개의 뒷면에서 나사로 고정시켜 하나의 고정자를 만든다. 제작된 고정자에 권선이 감긴 사진이 [그림 4]의 (b)이다. [그림 3]과 [그림 4]의 회전자와 고정자를 조합해 완성시킨 로터 세그먼트형 액시얼 갭 모터(시작기)의 사진이 [그림 5]이다. 또 이 시작기에서는 냉각 방법으로서 수냉 방식을 채용하고 있으며, [그림 5]와 같이 2개의 고정자를 각각 고정하고 있는 케이스 덮개에 워터 재킷(Water Jacket)을 장착하고 있다.
실부하 시험하의 제안 모터의 특성
[그림 6]은 정격전류밀도 22Arms/㎟에서의 전류 위상각에 대한 평균 토크의 측정결과와 해석결과를 나타낸 것이다. 측정은 회전속도 300r/min로 실시했다. 또 실부하 시험(Actual Loading Test)의 측정결과로부터 산출한 시작기의 전류 위상각에 대한 추정 마그넷 토크도 점선으로 표시하였다. 이번에 측정결과에서 얻은 최대 평균토크는 301.1Nm이다. 최대 에너지 곱이 희토류 자석의 약 1/10인 페라이트 자석을 이용한 레어어스 프리 모터임에도 불구하고, 희토류 자석을 이용한 시판 중의 HEV 구동용 PMSM과 동등한 체적으로 75.3%의 토크를 달성한 양호한 결과가 나왔다. 또 최대 토크 발생 시 릴럭턴스 토크의 비율 49.2%라는 제안대로 릴럭턴스 토크가 유효하게 발생 가능하다는 것이 확인되었다. 또 [그림 6]에서의 해석결과는 시작기의 제작 과정에서 사용되지 않았던 기계가공을 마친 SMC 코어를 이용하여 B-H 특성을 새로 측정하고, 그 B-H 데이터를 가지고 실시한 3차원 유한요소법에 의한 해석결과이다. 해석결과와 측정결과를 비교해보면 양호하게 일치되고 있음을 알 수 있다. 최대 평균토크에서의 해석결과는 304.9Nm으로, 측정결과와의 오차는 약 1.2%이다. 이것은 SMC 코어의 B-H 데이터로 카탈로그 데이터가 아닌, 실제 시작기에 사용된 SMC 코어와 동일한 것으로 측정했기 때문인 것으로 추정된다. [그림 7]은 이 시작기의 효율맵(map)을 나타낸 것이다. 효율맵을 보면, 이 시작기는 경부하 시에 효율이 높고, 최대효율이 1500r/min에서 92.5%이다. 또 기저속도 1700r/min에서 목표출력 50kW를 웃도는 51.5kW를 달성하여 동등의 체적으로 동등의 출력을 실현하였다.
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