스마트카/항공·우주·해양/부품

Nikkei Automotive_2022.12 (p58~61)

신재료로 EV 모터의 소형화 및 고효율화에 도전
항속거리 10% 증가

전기자동차(EV) 등 전동 차량의 구동모터에서 철심(코어)에 사용되는 재료를 기존 전기강판에서 다른 것으로 대체하려는 움직임이 나오고 있다. 모터의 고회전화로 인해 증가하는 에너지 손실을 줄이고 효율을 높이기 위해서이다. 히타치금속과 도호쿠(東北)대학 발 벤처기업인 도호쿠마그네트인스티튜트(TMI)는 손실을 줄일 수 있는 모터 코어 재료를 개발해 구동모터에서의 실용화에 도전하고 있다.

최근 자동차업체들은 높은 탑재성을 중시하며 모터의 소형화에 대한 요구를 강화하고 있다. 하지만 출력도 포기할 수는 없다. 소형화와 고출력화를 양립하는 대책으로 모터의 고회전화가 추진되고 있다. 모터의 출력은 토크와 회전수의 곱으로 결정되며, 토크는 모터의 부피에 비례한다. 모터를 소형화하면서 출력을 높이기 위해서는 고회전화가 필요하다. 현행의 EV에서는 회전수가 많은 것이 약 2만rpm에 달한다.

고회전화와 함께 회전수가 증가할수록 커지는 철손(鐵損)을 줄이는 것도 필수적이다. 모터 코어를 구성하는 전기강판에는 각 강판마다 두께 방향으로 와전류가 흐른다. 전기강판 1장이 두꺼울수록 와전류에 의해 철손이 커지기 때문에 두께를 얇게 해 철손을 줄이는 것이 일반적이다.

구동모터에 사용되는 전기강판에서는 고회전화와 함께 0.35mm에서 0.25mm 정도까지 박판화가 추진되어 왔다. 하지만 2만rpm이 넘는 고회전 영역에서는 한층 더 박판화할 필요가 있어 대응이 어렵다는 시각이 있다.

이러한 가운데 히타치금속(日立金属)과 도호쿠대학 발 벤처기업 TMI는 전기강판에 비해 철손을 줄일 수 있는 모터 코어 재료를 개발해 구동모터에서의 실용화를 목표로 하고 있다.

-- 히타치금속, 비정질 합금을 실용화 --
실용화에 가까이 가고 있는 것이 히타치금속이다. 히타치금속은 철을 주성분으로 하는 비정질 합금 ‘메트글라스(Metglas)’를 개발했다. 양산을 목표로 “단계적으로 승인 프로세스를 거치며 순조롭게 진행되고 있다”(히타치금속 기능부재사업본부의 스즈키(鈴木) 파워 일렉트로닉스 통괄부장)라고 말한다.

이 재료의 가장 큰 특징은 철손을 전기강판의 10분의 1 이하로 줄일 수 있다는 점이다. 구조와 얇기가 그 열쇠이다.

통상적인 금속 재료는 결정 구조를 이루기 때문에 원자 배열이 규칙적인 데 반해, 비정질 합금은 원자 배열에 규칙성이 없다. 결정 구조를 이루기 전에 급속히 냉각시켜 굳히기 때문에 “압연 공정을 하지 않고 매우 얇게 만들 수 있다”(히타치금속 기술개발본부 글로벌기술혁신센터의 사노(佐野) 시니어 어드바이저)라고 한다. 이 합금은 두께 공칭값이 0.025mm로, 이것은 구동모터의 코어에 쓰이는 전기강판의 10분의 1 이하이다.

하지만, 이렇게 얇은 두께 때문에 “개발 초기에는 펀칭이 잘 되지 않아 실용화의 걸림돌이었다”(스즈키 시니어 어드바이저)라고 한다. 하지만 “최근 펀칭 가공에 실마리가 보이고 있다”(스즈키 시니어 어드바이저)라는 것이 실용화에 가까워진 이유 중 하나이다. 이를 통해 비정질 합금을 스테이터(고정자)의 티스부분에만 사용하는 경우와 스테이터 전체에 사용하는 경우 모두 고객의 요구에 맞추어 대응할 수 있게 되었다.

스테이터 전체를 비정질 합금으로 만들 경우, 시제(試製) 모터의 회전수 8,000rpm까지의 영역 실측시험을 한 결과에 따르면, 고회전 영역에서 전기강판 대비 효율이 약 3% 개선되었고 손실은 반감되었다. 8,000~2만rpm의 영역에 대해서는 시뮬레이션으로 최대 약 8%의 효율 개선을 확인할 수 있었다고 한다. 모터 출력과 배터리 용량을 갖춘 EV의 경우, 풀 충전에서의 항속거리는 개선된 효율만큼 늘릴 수 있게 된다.

히타치금속은 주로 스테이터에서의 사용을 상정하고 있지만, “로터(회전자)에서도 사용될 가능성은 있다”(스즈키 시니어 어드바이저)라고 한다. 하지만, 로터는 회전하기 때문에 기계적 강도나 자석과의 궁합 등 검토 항목이 스테이터보다 많아 검증을 거쳐 실용화하려면 시간이 걸릴 것으로 보인다.

-- 아이신과 닛폰덴산(日本電産)이 주목하는 TMI --
TMI는 자체 개발한 나노결정합금 ‘NANOMET’를 구동 모터에서 실용화하는 것을 목표로 올해부터 움직임을 가속화하고 있다.

TMI는 알프스알파인과 무라타 제작소, 파나소닉 등의 출자로 2015년 설립된 도호쿠대학 발 벤처기업이다. 올 4월에 아이신과 모터 코어에 사용할 나노결정합금의 공동 개발을 시작했고, 같은 해 5월에는 아이신의 출자를 받아들였다. 아이신은 TMI 주식의 16.7%를 취득. 최대주주인 도호쿠대학 벤처파트너스에 이어 민간기업으로는 최대주주가 되었다. TMI의 미야타케(宮武) 사장은 “아이신의 열의를 느끼고 있다”라고 말한다.

아이신이 내다보는 것은 구동모터와 인버터, 기어박스를 일체화한 전동 액슬의 차세대 제품으로의 적용이다. 구동모터에 TMI의 나노결정합금 NANOMET를 사용함으로써 주행 시 발생하는 손실을 저감해 모터의 고효율화로 연결하는 것을 목표로 하고 있다. 한 아이신 관계자는 “(TMI의 나노결정합금을 사용하면) 모터를 상당히 소형화할 수 있을 것이다. 구동용 외에도 차량용 모터로의 적용도 검토하고 있다”라고 자사의 나노결정합금에 기대를 걸고 있다.

전동 액슬 양산에서 앞서있는 닛폰덴산도 TMI의 나노결정합금에 주목하고 있다. 전동 액슬의 제 3세대 제품 이후의 제품에서 실용화를 목표로 하는 유도 모터(Induction Motor, IM)의 재료 후보로서 TMI의 나노결정합금을 선택했다. 닛폰덴산의 IM 채택이 결정되면 2029년 이후 실용화될 수 있을 전망이다. TMI는 이 밖에도 국내 한 자동차업체로부터 나노결정합금을 사용한 구동모터 개발 제안을 받았다고 한다.

TMI의 나노결정합금은 철의 비정질 합금을 부분적으로 결정화시켜 불규칙하게 배향(配向)한 강자성(强磁性)을 갖는 나노결정립을 비정질(Amorphous) 상에 분산시킨 것이다. 중량 베이스로 93%의 철로 구성되어 있기 때문에 고회전 영역에서의 철손이 적고, 높은 포화자속밀도를 실현했다.

이러한 특징으로 인해 시제품 모터의 시험 결과에 따르면, 전기강판을 사용하는 경우에 비해 효율을 9~10% 개선할 수 있었다고 한다. 높은 포화자속밀도는 전기강판으로 만든 모터 대비 약 25%의 소형화·경량화에 기여했다. TMI는 나노결정합금을 EV 구동모터에 적용할 경우, 풀 충전 항속거리를 약 10% 늘릴 수 있을 것으로 예측하고 있다.

-- TMI의 과제는 생산 부분 --
NANOMET의 실용화가 실현된다면 큰 돌파구가 될 것으로 전망되지만, 구동모터로의 적용과 양산에는 큰 과제도 있다.

현재 TMI의 생산 설비와 생산 기술로 제조할 수 있는 나노결정합금의 박대(Thin strip) 는 폭이 최대 127mm. 구동모터의 스테이터 코어를 한 번에 펀칭할 수 있는 크기가 아니기 떄문에 분할된 코어를 조합해 스테이터를 만들고 있는 실정이다. 이것은 양산 시 코스트 상승으로 이어진다.

미야타케 사장은 “1장씩 펀칭한 것을 적층해 만들 수 있도록 해 달라는 요청을 자동차업체로부터 받고 있다”라고 밝혔다. 구동모터에서의 실용화를 위해서는 박대를 200~250mm 정도의 폭으로 제조해야 할 필요가 있다고 한다.

또한 TMI는 박대 생산을 중국 업체에 위탁하고 있어 공급에 불안 요인이 있다. TMI는 리스크 경감을 위해 국내를 중심으로 생산 위탁처 확대를 목표로 하고 있다.

-- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Automotive] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.