전기자동차의 구동모터와 전자강판

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전기자동차의 구동모터와 전자강판

2014년 11월 1일 (토) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2014년 11월호 - 전체 보기 )

전기자동차의 구동모터와 전자강판

전자강판은 일반 강판에 비해 규소 함유량이 많고, 우수한 전기적·자기적 특성을 가진 강판이다. 그 특성으로는 철손이 적고, 자화(磁化)되기 쉬움을 나타내는 자속밀도가 높은 점 등을 들 수 있다. 따라서 에너지 자원이 적은 우리나라에서는 에너지 손실이 적은 전자강판의 개발이 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근 일본에서는 전기자동차 및 하이브리드 전기자동차 구동 모터에 대한 요구 성능, 나아가 철심 소재로서 이용되는 전자강판에 대한 요구 특성에 대응하기 위해 고성능 무방향성 전자강판이 개발되고 있다. 이 장에서는 전자강판의 성능 및 소재 특성, 그리고 전기자동차 구동 모터용 전자강판에 대해 정리했다.

번역·정리 김대근 기자

전자강판

전자강판은 철강재료이자, 자기적 성질을 특징으로 하는「자성재료」이다. 지구상에 존재하는 원소 중에 상온에서 강자성을 나타내는 원소는 철, 코발트, 니켈의 3개 원소밖에 없다. 공업적으로 사용되는 자성 재료는 연질(軟質) 자성재료, 경질(硬質) 자성재료와 관계없이 합금 및 산화물 등의 형태를 취하지만, 이 3개 원소 중 하나를 포함하는 경우가 대부분으로 전자강판도 그 중의 하나이다. 이 전자강판은 1900년도에 해드필드(Hadfield) 등이 철에 Si를 함유시킴으로써 자기특성이 향상되는 효과를 발견한 것이 실마리가 되었다. 그 후 1926년에는 철의 결정자기이방성(結晶磁氣異方性)이 발견되어 결정방위제어에 의한 자성 향상에 착안해 {110}<001>결정방위를 발달시킨 방향성 전자강판이 1934년에 Goss에 의해 발명되었다. 전자강판도 포함한 철의 결정구조는 [그림 1]에 나타난 바와 같이 체심입방격자에서 능선방향인 <100>방향이 자화 용이축(Easy Axis, Easy Magnetization Axis, 磁化容易軸)이다. 강자성의 근원인 자기 모멘트는 외부에서 자계 등을 가하지 않는 한, 이 방향을 향해 있으며, 우수한 자기적 성질을 갖는다. 위에서 언급한 방향성 전자강판에서는 이 <100>방향을 강판면 내의 압연방향에 맞추어 압연방향의 자기특성을 뛰어난 것으로 하여 주로 변압기의 철심 소재로서 이용되고 있다. 일본에서는 1953년에 공업생산이 개시되어 특히, 1968년도부터는 고자속밀도 방향성 전자강판 HI-B에 의해 변압기의 에너지 손실을 현격하게 저감시킬 수 있었다. 한편, 모터 및 발전기 등의 회전기를 중심으로 한 철심 소재에는 주로 무방향성 전자강판이 이용되며, 변압기의 철심 소재로 이용되는 방향성 전자강판과 마찬가지로 철심으로 자화된 때의 에너지 손실, 즉 「철손」의 저감을 도모해 왔다. 일본에서는 1924년에 열간압연 전자강판으로서의 생산이 개시되어 1956년부터는 현재와 같은 냉간압연 무방향성 전자강판의 형태로 대체되어 갔다. 무방향성 전자강판의 철손 저감 기술에 있어서도 결정방위 제어는 중요하다. 무방향성 전자강판의 결정배열은 앞서 설명한 방향성 전자강판과는 달리, [그림 2]에서와 같이 자화용이축 <100>방향은 일반적으로 결정 입자마다 임의(랜덤)의 정도가 큰 경향이 있다. 그러나 이상적으로는 회전기 등의 철심 소재로 이용되므로 체심입방격자의 각면인 {100}면을 강판면과 동일하게 하고, 또한 <100>방향을 강판면 내에서 360도 균일하게 랜덤배열하는 것이 바람직하다. 무방향성 전자강판의 철손 저감에 대해서는 이러한 결정방위제어와 더불어 합금원소(Si, Al 등)에 의한 전기저항의 증대화, 판두께의 박형화, 고순도강화(高純度鋼化) 등의 기술을 시너지화하여 개발이 이루어져 왔다.

전기자동차 구동 모터 철심 소재의 구비 특성
EV(전기자동차)의 구동모터에는 DC모터와 유도모터, 스위치드 릴럭턴스 모터를 비롯해 다양한 종류가 사용되고 있지만, 특히 HEV(하이브리드 전기자동차)에서는 영구자석형 동기 모터가 다수 탑재되어 있다. [그림 3]에 EV 구동모터에서 요구되는 구동력 특성을 모식적으로 나타냄과 동시에 철심 소재로 사용되는 전자강판에서의 요구 특성도 함께 나타냈다. HV 구동 모터에서는 △기동 시의 고토크 △최고 속도에 대응하는 고회전수 △실효 연비와 관계되는 고빈도 주행 영역(시가지 등)에서의 고효율 등이 요구된다. 또한, 모터를 좁은 공간에 수납하여 가능한 한 소용량의 전지로 구동해야하기 때문에 타 용도의 모터 이상으로 소형경량화가 중요하다. 모터의 고토크화를 위해서는 모터 권선에 흘리는 구동전류를 크게 함과 동시에 권선과 쇄교하는 자속을 크게 하는 것이 중요하다. 전자강판에는 주어진 자계강도에 대한 고자속밀도, 즉, 고투자율이 요구된다. 또 자속을 크게 하기 위해서는 로터와 스테이터 사이의 공극을 좁게 하여 자기저항을 낮추는 것이 유효하며, 이를 위해서는 전자강판에 높은 가공 정밀도도 요구된다. 모터의 소형화를 위해서는 회전수를 높이는 것이 유효하지만, 구동전류의 주파수가 높아지기 때문에 전자강판에 고주파수 여자하의 저철손이 요구된다. 또한, 고속회전으로 로터에는 큰 원심력 및 회전수의 변화에 따른 변동응력이 걸리기 때문에 로터에 사용되는 전자강판에는 저철손뿐만 아니라, 고강도가 요구된다. 특히, 로터의 일부에 구멍을 내서 자석을 투입하는 IPM 모터에서는 자석을 유지하는 부위의 강도 확보가 구조상 중요과제가 된다. 또 실효적인 연비 저감을 위해서는 사용빈도기 높은 구동영역(중 레벨의 자속밀도와 주파수)에서의 저철손 및 자화특성 향상이 중요하다. 특히, HEV 구동 모터에서 엔진 구동으로 바뀌어 구동전류가 흐르지 않는 상태에서 모터가 공전하는 경우에는 공전 시 철손 억제의 관점에서 전자강판에는 저철손이 보다 중요한 문제가 된다.

전기자동차 구동 모터용 전자강판

앞서 설명한 EV/HEV 구동 모터에 대한 요구 성능, 나아가 철심 소재로서 이용되는 전자강판에 대한 요구 특성에 대응하기 위해 고성능의 무방향성 전자강판이 개발되고 있다. [그림 4]에서 보이는 바와 같이 전자강판의 철손은 히스테리시스손과 과전류손으로 이루어져 있기 때문에 무방향성 전자강판의 고성능화에는 이 양자의 저감이 중요하다고 할 수 있다. 결정방위제어 및 결정입경제어, 나아가 고순도강화 및 강판 내부 변형 감소 등에 의해 자화특성 개선 및 히스테리시스손의 저감을 도모할 수 있다. 제강기술의 진보는 무방향성 전자강판에서 고순도강(高純度鋼)의 적용을 촉진시켜 1차 재결정 방위 제어의 관점에서 적극적으로 많은 원소들이 활용 가능하게 되었다. [그림 5]에 Sn첨가를 활용한 결정방위제어에 의한 철손 저감의 일례를 나타냈다. 또, 과전류손의 저감은 Si 및 Ai 등의 합금 함유량 조정에 의해 전기저항을 제어하고, 결정입경최적화, 판두께의 박형화에 의해 도모될 수 있다. [그림 6]에는 무방향성 전자강판에서 판두께의 박형화에 의한 철손 저감의 일례를 나타냈다. 이와 같이 개발된 고효율 무방향성 전자강판의 자기 특성의 예를 [그림 7]에 나타냈다. 기존 자재(JIS 등급 0.50㎜ 두께, 0.35㎜ 두께)에 비해 동일철손으로 자속밀도가 높고, 마찬가지로 동일 자속밀도로 철손이 낮으며, 모터의 고토크화, 고효율화를 기대할 수 있다. 한편, 고속 회전 모터의 로터 소재로서 무방향성 전자강판이 사용되는 경우에는 고주파 철손이 낮을 것과 동시에 고속회전 시의 원심력에 견딜 수 있는 고강도 특성이 요구된다. [그림 8]에 고주파 철손 특성과 고강도 특성의 양자에 모두 뛰어난 무방향성 전자강판으로서 고장력 무방향성 전자강판의 자기특성과 기계특성의 예를 나타냈다. 기존 자재에 비해 철손의 증가를 최소화하여 기존 자재의 2배 이상의 항복강도를 실현하고 있다.

전자강판 성능의 최대 발휘
전자강판의 소재 특성은 국제 표준 규격의 측정법(IEC60-404-2)에 의거하여 무응력 상태, 특정방향 균일 교번자계, 정현파 자속 파형 등의 조건하에서 측정된다. 그러나 실제 모터 철심의 사용상태에서는 [그림 9]에서와 같이 몇 가지 철손 열화 요인, 즉 철손 빌딩 팩터(Building Factor)를 고려할 필요가 있다. 모터 설계 및 모터 제조공정에서 이 철손 빌딩 택터를 얼마나 저감할 수 있는가에 따라 모터 성능의 향상도가 달라진다.

모터 철심 사용상태에서의 철손 빌딩 팩터의 주요 내용은 다음과 같다.

⑴ 철심구조와 자화특성의 비선형성에 의해 자속이 불균일화되어 자속밀도 분포가 생긴다.

⑵ 로터의 회전에 따라 철심의 일부에서 자속이 회전한다.

⑶ 철심의 펀칭가공 및 철심고정에 의해 변형 및 응력이 철심 내에 잔류한다.

⑷ 철심 이빨 부분 사이의 권선 슬롯의 존재에 의해 공간 고조파가 생긴다.

⑸ 전원 인버터 회로에 의해 시간 고조파가 생긴다.

⑹ 자석이 만드는 계자자속과 권선전류가 만드는 전기자 자계가 중첩된다.

⑺ 철손 및 동손에 의한 철심온도 상승으로 냉각방법에 의존해 철심 내 온도분포가 생긴다.

⑻ 철심 꼬리면의 접촉 및 코킹 등에 의한 적층 단락개소에 유도전류가 생긴다.

이러한 철손 빌딩 팩터에 의해 철심 소재의 철손에 대한 철손 증가율이 현저하게 나타나는 경우에는 철심 소재인 전자강판의 철손을 아무리 저감한다고 해도 모터 철손이 감소되지 않는 경우가 발생할 수 있다. 철손 빌딩 팩터 중에서도 위의 (3)의 변형 및 응력의 영향은 특히 중요하다. 모터 철심 제조공정에서 프레스 가공에 의한 펀칭, 코킹 및 용접 적층, 권선 삽입, 압입 및 수축 끼워 맞춤 등에 의해 변형 및 응력이 철심 소재인 전자강판에 도입되면, 모터 철손은 크게 증가하게 된다. 프레스 가공에 의한 펀칭 시에는 전단(剪斷) 단면에 따라 판두께의 약 1/2 정도의 깊이까지 강한 압축 변형도가 도입되어 철심 소재 잔부에는 이에 상당하는 인장응력이 걸린다. 무방향성 전자강판의 철손에 미치는 탄성응력의 영향을 [그림 10]에 나타냈다. 압축응력에 의해 철손은 모든 자속밀도에 있어서 현격하게 증가하며, 압축응력에 의한 철손 증가율로서는 저자속 밀도만큼 커진다. 이것은 자화곡선의 상승 부분, 즉, 자벽이동 과정이 변형·응력의 영향을 받기 쉬워짐으로 인하여 발생된다. 철심을 모터 케이스에 고정시키기 위해서 압입 및 수축 끼워 맞춤이 실시되는데, 이때 철심으로의 잔류응력이 모터 철손을 크게 증가시키는 원인이 된다. 이 경우 압입 및 수직 끼워 맞춤에 의한 모터 철손의 증가는 [그림 4]에서의 철손을 분류하여 나타낸 변형·응력에 따른 히스테리시스손의 증가뿐만 아니라, 과전류손의 증가도 영향을 미치고 있다. 이것의 원인은 변형·응력의 영향에 의해 철심 내 자속분포의 불균일이 심해지기 때문이다. 모터 설계에 있어서도 수치해석 등을 이용한 철심 형태 및 여자 조건의 최적화가 진전되고 있는데 철심 성능을 정밀도 좋게 추정하기 위해서는 앞서 언급한 철손 빌딩 팩터를 실제의 철심에 준거하여 고려하는 것이 중요하다. 또 전자강판의 자기 성능은 비선형이며, 특히 응력하의 자기 특성을 고려하기 위해서는 수치계산 결과와 직접 대비가 가능한 철심·철손의 실측결과가 필요하다. 이 목적을 위해 예를 들어, [그림 11]에서의 회전 철손 시뮬레이터는 철심 1개에서 수십 개 정도의 적층 상태로 철손을 측정할 수 있으며, 전기자동차의 구동모터를 비롯한 모터의 성능 평가에 기여할 수 있다. 전기자동차 구동 모터 소재로서의 전자강판의 고성능화 및 최적 선정, 그리고 모터 철심에서의 철손 빌딩 팩터의 저감이 쌍벽을 이루어 모터 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.