Transportation & mobility

더욱 빠른 성능

William J. Holstein
18 June 2018

전기 모터가 주로 공장에서 사용되었던 시절에 공장 관리자들은 온도, 먼지, 습도, 진동, 윤활 등과 같은 변수들을 제어할 수 있었습니다. 하지만 전기모터가 자동차에서 사용됨에 따라 이러한 요소들은 더욱 광범위한 변동성에 직면하게 되었습니다. 업계의 최고 엔지니어들이 어떻게 이동수단을 위한 전기 모터를 설계하는지 살펴보았습니다.

전기 모터는 1800년대 중반부터 공장의 동력원으로 사용됐으며 정적이며 제약된 환경에서 운용됐습니다. 하지만 전기 모터는 오늘날 모든 형태의 하이브리드 및 전기 자동차에서 요구되고 있고 이러한 성공이 새로운 변화를 가져오고 있습니다.

워즈 오토모티브의 예측에 의하면 배터리 구동방식의 자동차 모델이 2018년 현재 18종에서 2025년까지 85종으로 늘어날 것으로 보고 있습니다. 모터를 도로에 내어 놓는다는 것은 변화무쌍한 상황 속에서 운용한다는 것을 의미하므로 모터는 더 작아지고, 강력하며, 유연해져야 함을 뜻합니다.

이러한 모터의 미래는 영국 브레츨리에 위치한 인테그럴 파워트레인 사에서 엿볼 수 있습니다. 이 회사의 고급형 모터 중의 하나는 이상적인 전류값에서 벗어나는 어떤 정보라도 초당 75,000 번의 빈도로 제어기에 전달하여 출력값을 이상값에 유지시키도록 돕습니다.

인테그럴 파워트레인의 기술이사인 루크 바커는 다음과 같이 말합니다. "모터의 제어능력은 경이적이다. 전기 자동차에서 대부분의 차량 정지는 브레이크가 아닌 모터의 토크를 반대 방향으로 함으로써 얻을 수 있고, 이때 배터리를 충전할 수 있다는 것은 널리 알려진 사실이다. 우리는 모터의 토크를 매우 빠르고 정교하게 제어하여 기어 변경의 빠르기와 정교함을 개선할 수 있었다. 한 방향의 최대 토크에서 반대 방향의 최대 토크로 전환하는 데에 백 분의 일 초도 걸리지 않는다. 이는 다른 종류의 구동계에서는 볼 수 없는 수준의 제어 능력이다."

설계 정교화

컴퓨터 기반의 설계 시스템은 오늘날의 정교한 모터 개발에 크게 이바지하는데, 설계자와 엔지니어들로 하여금 실제 생산보다 훨씬 이전 단계에서부터 구동계에서의 모터 성능을 시뮬레이션할 수 있는 디지털 모델을 제공해줍니다. 시뮬레이션은 전자기적 출력, 진동, 피로도 등의 요소를 예측할 수 있게 해주고 소프트웨어로 이들을 제어할 수 있습니다.

“시뮬레이션 소프트웨어는 모터를 돌려보기도 전에 모터가 어떻게 동작할지를 알아내는 능력이 탁월하다”

루크 바커
인테그럴 파워트레인의 기술이사

바커는 "모터를 돌려보기도 전에 모터가 어떻게 동작할지를 알아내는 능력이 탁월하다. 우리는 이전 모터들로부터 얻은 상관관계 데이터를 통해 검증된 시뮬레이션 도구를 보유하고 있는데 이는 우리의 예측능력이 상당히 우수함을 의미한다. 이는 부분적으로는 모터의 우수한 확장성에서 기인한다. 이전보다 다섯 배 큰 모터를 가지고 연구할지라도 전자기학적으로 그 둘은 매우 흡사하다”고 말합니다

A worker performs a final assembly inspection of Integral Powertrain’s 12/48V belt-integrated starter generator with boosting. (Image © Integral Powertrain)

시뮬레이션 소프트웨어와 디지털 모형은 인테그럴 파워트레인으로 하여금 생산성 설계와 공급자 선정을 가능케 해주었다. "모든 모터마다 별개의 학습곡선을 거쳐야 하는 것을 피할 수 있게 되었는데 이는 모든 지식이 이미 규칙기반 디자인에 포함되어 있기 때문" 이라고 바커는 말했습니다.

전기 파워트레인

오스트리아의 크라이젤 일렉트릭은 공급자로부터 전기모터를 공급받아 이를 변속기, 배터리 및 배터리 관리 시스템과 결합하여 완전한 전기 자동차 시스템을 만듭니다. 여기에는 세계 최초의 전기화된 험머 H1이 포함되는데 배우이자 전 캘리포니아 주지사인 아놀드 슈왈제네거를 위해 2017년에 만들어졌고 360kW의 출력과 100kWh의 용량으로 거의 300km를 주행할 수 있습니다.

크라이젤 일렉트릭의 기계 및 전기공학 책임자인 헬뮤트 카스틀러에 의하면, 인테그럴 파워크레인과 마찬가지로 크라이젤 일렉트릭 역시 정교한 모델링 및 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 모터의 성능을 최적화하고 전기 파워트레인의 각 요소의 균형을 맞춥니다.

 카스틀러는 "우리는 모터의 열전달 특성 등과 같은 인자 값들을 통합할 수 있다"며, "온도 한계를 설정할 수도 있고 기본적으로 모든 것을 시뮬레이션할 수 있다"고 말합니다.

“우리는 모터의 열전달 특성 등과 같은 인자 값들을 통합할 수 있다. 온도 한계를 설정할 수도 있고 기본적으로 모든 것을 시뮬레이션할 수 있다”

헬뮤트 카스틀러
크라이젤 일렉트릭의 기계 및 전기공학 책임자

한가지 도전과제는 변속기가 새롭고 강력한 전기 모터와 보조를 맞출 수 있는지 여부입니다. 전기 모터를 이동수단에 적용하는 초기 시절에는 변속기가 분당 5천에서 6천 번의 회전을 견딜 수 있기만 하면 충분했습니다. 지금의 전기모터는 분당 1만 5천에서 2만 번 회전합니다. 변속기의 전기 센서는 자동차의 전자제어장치(ECU)와 정보를 송수신하는데, 이는 중추신경계와 같은 역할을 하며 마찰과 발열을 제한하기 위해 필요에 따라 윤활유를 공급합니다.

크라이젤 일렉트릭의 연구원인 요하네스 품스라이트너는 "소프트웨어 덕분에 각 부품의 특성을 쉽게 결합할 수 있게 되었고 기계적, 열역학적, 전기적 출력의 결합 효과 및 상대적 효과를 살펴보고 전체 시스템을 구성할 수 있게 되었다"며, "어떠한 인자를 가지고도 시뮬레이션을 수행할 수 있으며 심지어 운전습관까지 시뮬레이션할 수 있다"고 말합니다.

소음관리 또한 중요 이슈입니다. 전기 모터는 거의 무음으로 달릴 수 있습니다. 하지만 더 많은 기계적 부품을 포함한 변속기는 모터와 적절히 동기화되지 않으면 소음을 발생시킵니다. 카스틀러는 "소음을 잘 다뤄야 한다. 원하는 모든 것을 시뮬레이션할 수 있지만 어떠한 속성들을 최적화해야 하는지를 알아야 한다"고 말합니다.

모터의 재발명

설계 및 시뮬레이션 도구는 또한 작으면서도 강력하고 고효율인, 완벽히 새로운 모터 구조를 향한 길을 열고 있습니다.

2006년에 영국 옥스포드 대학의 연구자들은 영구자석 모터를 만들 때 사용되는 계철(繼鐵, yoke)이라고 불리는 커다란 금속 부품을 제거하는 데 성공했습니다. 무거운 구조체인 계철은 통상 모터의 자석으로부터 나오는 자속(磁束)을 전류가 흐르는 구리선으로 전달하는 역할을 합니다. 옥스포드 연구자들은 계철을 대체하는 더 작은 크기의 특별한 금속합금을 발견했는데 이것을 적용하면 상당히 가볍고 작은 모터에서 더 큰 출력과 토크를 만들어낼 수 있습니다. 이 새로운 기술은 YASA라고 불리는데 Yokeless And Segmented Armature를 뜻합니다. 이러한 진전을 통해 자동차의 무게를 줄이고 순 효율을 높일 수 있게 되었습니다. 예를 들어 YASA 모터를 2단 기어와 함께 사용하면 특정한 경우에 일반 강철 모터와 단일 스피드 기어로 구성된 1 세대 전기차의 드라이브트레인에 비해 배터리 크기를 10% 이상 줄일 수 있다고 YASA 컴퍼니의 상용화 총괄 부사장인 아제이 루카는 말했습니다. YASA 컴퍼니는 2009년 대학의 연구 프로젝트에서 분사되어 설립되었습니다.

루카에 의하면 YASA 모터의 이점은 전기 자동차의 디자인과 원가에 큰 의미가 있는데, 이는 YASA 모터가 다른 모터들과 비교하여 약 25%의 전기적 손실을 제거할 수 있어 보다 효율적이라는 점입니다. 또한, 출력/토크 밀도를 최소 세 배 이상 향상시켜 모터를 보다 작고 가볍게 만들 수 있습니다. YASA 역시 컴퓨터화된 설계 및 시뮬레이션을 통해 당사의 모터가 특정한 자동차에서 얼마만큼의 성능을 낼 수 있는지 예측할 수 있습니다.

루카는 "이 모든 것은 모터와 모터를 구동시키는 것에서 시작한다. 자동차의 동적 인자 값들을 이용해 출력과 토크를 최적화하는 시뮬레이션을 수행하고 그 결과가 기계의 성능과 어떻게 상호작용하는가를 예측한다"고 말했습니다.

“우리는 YASA 모터와 다른 종류의 모터들을 자동차 시스템 수준에서 비교하는 모델을 만들어낸다”

아제이 루카
YASA 컴퍼니의 상용화 총괄 부사장

모든 자동차 제조업체들은 주행 역학, 효율, 속도에 대해 각기 다른 성능 목표를 가지고 있기에 YASA는 소프트웨어를 이용하여 자동차 전체가 총효율 관점에서 어떻게 동작할 것인가를 예측합니다.

루카는 "우리의 현재 시뮬레이션은 너무나 정교하게 발전하여 YASA 모터와 다른 종류의 모터들을 자동차 시스템 수준에서 비교하는 모델을 만들어낼 수 있다"며, "특정 자동차에서 특정 데이터를 추출하여 시스템 수준의 효율을 모델링함으로써 최적의 모터를 선택할 수 있다"고 말했습니다.

For information on solutions for Electric, Connected and Autonomous Vehicles, please visit:
http://go.3ds.com/peNg

Related resources

Subscribe

Register here to receive a monthly update on our newest content.