자동차용 모터의 재료 및 손실과 효율을 알아봅시다.

자동차에서 모터의 효용이 증대되어 기계식 액추에이터, 기어, 풀리, 유압 장치 등이 모터로 대체되고 있습니다. 여기서는 모터를 구성하는 재료 및 그 손실과 효율을 확인해 보고자 합니다.

모터의 장점

1. 기계적 링크가 사라져 소음, 진동 측면 유리합니다.
2. 기계 구조 대신 전선 및 전자 회로를 구성하여 정밀하고 신속한 제어 및 구동이 가능합니다.
3. 엔진 부하가 줄어들고 경량화할 수 있으며 부품 수도 감소하여 궁극적으로 연비 저감 효과를 가져갈 수 있습니다.

모터 재료

자석

자석 재료 개발은 1900년 초부터 진행되었고 1930년대 일본에서 발명한 MK, NSK, OP 자석이 현재 많이 쓰고 있는 AlNiCo, Ferrite 자석의 뿌리입니다.

1984년 네오디뮴(NdFeB) 자석 발명은 모터의 급격한 성능 향상에 기여하였고 자동차 등 응용 분야에 확대 적용되었습니다. 최근에는 희토류 가격 때문에 가능하면 희토류를 사용하지 않고 동등한 모토 성능을 낼 수 있는 방향으로 개발이 진행되고 있습니다.

페라이트(Ferrite)

• 특성 : 잔류 자속밀도가 낮음, 보자력 우수, 온도 계수 나쁨, 저온 감자 주의 필요
• 가격 : 타 소재 대비 저렴
• 용도 : 비교적 다양하게 사용

네오디뮴(NdFeB)

• 특성 : 잔류 자속밀도 높음, 보자력 가장 우수, 온도 계수 나쁨, 고온 감자 주의 필요, 가공성 나쁨, 산화가 상대적으로 잘되어 크랙 발생 가능성 높음
• 가격 : 페라이트 대비 가격이 비싼 희토류
• 용도 : 전기차 모터, 풍력발전기 MRI

사마륨 코발트(SmCo)

• 특성: 잔류 자속밀도 높음, 보자력 우수, 온도에 안정적임, 가공성 나쁨
• 가격: 코발트(Co) 가격에 영향을 받는 희토류
• 용도 : 소형 정밀모터, 이어폰

알니코(AlNiCo)

• 특성: 잔류 자속밀도 높음, 보자력 낮음, 온도에 안정적임, 가공성 나쁨, 메짐성에 강함, 고주파 응답성 양호함
• 가격: 매우 높음

에나멜 동선

모터용 와이어는 전기 전도율이 좋은 동선에 절연 피막을 입혀 고온에서 여러 번 성형하여 만들고 내열성에 따라 구분합니다.

폴리에스터 이미드 동선(Polyester-imide Enameled copper wire)

• 특성: 내열성 / 내열 충격성 / 내약품성 매우 우수, 기계적 특성이 우수하여 고속 권선 가능, 크레이징이 발생하기 쉬움
• 사용 용도: 건식변압기, 내열성 발전기, 전동공구용 모터, 고속 모터 및 발전기, 전자레인지용 HVT

폴리아미드 이미드 동선(Polyamide-imide Enameled copper wire)

• 특성: 내열성 / 내과부하 특성 우수, 내약품성 / 내유성 /내용매성 우수, 피막흠성 / 유연성이 다소 약함
• 사용 용도: 내열성 / 냉동기용 모터 전구 공구용 모터 내열 건식 변압기 내열 기기

폴리에스터 이미드-폴리아미드 이미드 동선(Polyester-imide Polyamide-imide Enameled copper wire)

• 특성: 열 및 과부하 특성이 우수, 내열 충격성 우수, 화학적 특성이 우수하여 특수한 환경에 사용 가능, R-22 냉매에 강함
• 사용 용도: 내열성 모터, 건식변압기, 전동공구용 모터, 자동차 부품, 전자레인지용 HVT, 냉동기용 모터

폴리우레탄 동선(Polyurethane Enameled copper wire)

• 특성: 고주파, 고온에서 유전 특성 우수, 피막을 제거하지 않고 납땜 가능, 피막이 투명하여 착색 가능(적색, 녹색, 청색, 황색 등), 과부하가 예상되는 전기기기에는 금함, 내열 충격성과 기계적 특성이 다소 약함
• 사용 용도
  전자기기, 통신기기, 계기용 코일, 소형 변압기

폴리에스터 동선(Polyester Enameled copper wire)

• 특성: 내열성 / 내약품성 / 내용제성 우수, 절연내력 및 전기적 특성이 우수, 내열 충격성 / 내습성이 부족하여 가수분해 경향이 있음
• 사용 용도: 소형 발전기, 범용 모터, 가정용 모터, 휴대용 발전기

윤활성 에나멜 동선(Lubricating Enameledcopper wire)

• 특성: 각종 합성 에나멜선 위에 윤활성이 좋은 나일론수지 도료를 이중 도포하여 성형성을 향상한 이중구조의 합성 에나멜선, 내열성 및 용도에 따라 제품 선택이 가능
• 사용 용도: 각종 모터, 변압기, 냉기용 모터, 자동차 부품

자기 융착성 에나멜 동선(Self-Bonding Enameled copper wire)

• 특성: 부품 성형 후 합침이 필요 없음, 권선 방법에 따라 열풍식, 용제식, 통정식으로 분류됨
• 사용 용도: 각종 모터, 자동차 부품, 각종 전자부품

3. 모터 코어

자속의 통로

와전류 손을 줄이기 위해 얇은 규소강판을 적층 하여 사용하며 절연을 위해 양면에 코팅합니다. 철손이 낮고 투자율이 높은 것이 좋습니다.

전기 강판(Si-Fe)

전기와 자기용 철심으로 사용되는 연자성 강판으로 일반 탄소강에 비해 높은 규소를 첨가하여 제조되므로 규소강판이라고 불립니다.

변압기 등의 정지기에 사용되는 방향성 전기강판과 모터 등의 회전기에 사용되는 무방향성 전기강판으로 나누어집니다. 일반적으로 Si 첨가량을 3% 이내로 제한합니다. Si 첨가에 의해 연신율이 급격히 감소하여 Si가 약 3.5% 이상 첨가된 경우 냉간압연이 불가능하기 때문입니다.

모터의 손실

모터에서 입력된 전기에너지가 기계 에너지로 변환하여 출력될 때 열 등 전동기 내부에서 소모되어 동력으로 사용할 수 없는 에너지를 손실이라고 합니다.

• 동손: 전기자 권선과 계자 권선의 전기저항에 의해 열로 발생
• 철손: 자기 회로에서 Flux가 코어를 지날 때 발생하는 와류 손과 히스테리시스 손실
• 기계손: 마찰손과 풍손이 있습니다. 다른 손실과 달리 일정한 값이며 무부하 시험을 통해 구할 수 있습니다.

모터 효율 역률 모터의 효율

역률

원래 전력은 전압과 전류의 곱입니다. 직류전동기의 경우는 정격전압과 정격전류의 곱이 정격 운전 시의 전력입니다. 그러나 교류전동기의 경우는 이것에 역률을 곱해 주어야 합니다.

모터의 효율

입력 모두가 출력으로 변환되는 것이 아니라 입력의 일부는 전동기 내에서 손실로 소비되고 나머지가 출력으로 나오게 됩니다. 효율은 출력과 입력의 비로 표시됩니다. 손실은 전동기가 운전 중에 가열되는 원인이 되기도 합니다.

48V 시스템

고전압을 사용하는 경우 같은 전력을 사용하더라고 소비전류가 줄어들기 때문에 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 그래서 48V 전기 시스템을 적용하게 되면 기존 시스템보다 에너지 용량 및 출력을 쉽게 높일 수 있어 차량 내 여러 부품의 추가를 자유롭게 할 수 있습니다. 또한 고효율의 전장부품들을 사용할 수 있어 효율성 증가로 인한 연비 효과를 기대할 수 있습니다. 하지만 모든 부품을 48V로 교체하기 위해서는 내전압 등을 강화해야 해서 비용이 오히려 증가하는 경우도 많습니다.

최근에서는 기존 12V 시스템과 48V 시스템을 함께 활용하는 듀얼 전기 시스템을 개발하는 추세입니다. 이렇게 듀얼 전기 시스템을 적용하면 소모 전력이 적은 부품에는 기존 12V를 유지하여 교체 비용과 개발 기간을 줄이고 MDPS, 브레이크, 공조시스템과 같이 소모 전력이 큰 부품에만 48V를 적용하여 효율적으로 활용할 수 있습니다.