일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.5.28

CFRP를 응용한 고출력 모터용 로터 슬리브와 고감쇠 재료
후지쿠라컴포지트, 실용화 목표로 개발 중

후지쿠라(藤倉)컴포지트는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 응용한 개발 기술로서 CFRP로 만든 모터용 로터 슬리브, CFRP와 고무를 일체 성형한 제품을 자동차 기술 전시회 ‘사람과 차의 테크놀로지전(展) 2024 YOKOHAMA’(5월 22~24일, 퍼시피코 요코하마)에 출품했다. 이 두 가지는 현재 차체 제조사 등과 공동 개발 중으로, 향후의 실용화를 목표로 하고 있다.

CFRP로 만든 모터용 로터 슬리브는 전기자동차(EV) 등에 사용되는 영구자석동기모터(PM 모터) 중, 로터(회전자) 표면에 영구자석을 붙이는 SPM(Surface Permanent Magnet) 모터에 사용된다. SPM 모터는 자석이 스테이터(고정자)에 가까워 자속(Magnetic Flux)을 효율적으로 이용할 수 있는 반면, 회전 속도가 높으면 원심력으로 자석이 변형되거나 빠지기 쉽다는 약점이 있다. 밖에서 로터를 조여 자석이 빠지는 것을 방지하는 원통형 박판이 로터 슬리브로, 지금까지는 주로 스테인리스강이 사용되었다.

이 로터 슬리브를 CFRP제로 바꾸면 더 큰 원심력을 견딜 수 있게 되어 모터의 회전수를 높일 수 있다. 후지쿠라컴포지트에 따르면, 스테인리스강의 경우와 동일한 크기 및 두께일 경우, 무게가 80% 줄어드는 데 반해 강도는 5.3배가 된다. 원심력은 회전수의 제곱에 비례하기 때문에 회전수를 약 2.3배 높일 수 있다는 계산이 된다.

또한, 스테인리스강으로 만든 로터 슬리브에서는 와전류(맴돌이 전류) 발생에 의한 에너지의 손실이 있지만, CFRP의 경우에는 와전류에 의한 손실이 없다.

CFRP제 로터 슬리브는 이미 테슬라의 일부 차종 등에서 사용되는 사례가 있지만, 후지쿠라컴포지트는 로터 슬리브의 내주와 외주의 탄소 섬유 굵기를 바꾸는 등, 설계상의 고안에서 우위점이 있다고 설명한다. CFRP를 단순히 로터에 감는 것만으로는 고속 회전 시 응력이 슬리브 내주의 탄소섬유에 집중되기 때문에 로터 슬리브 외면의 탄소섬유에는 여유가 있는 상태에서도 손상될 가능성이 있다.

후지쿠라컴포지트는 여러 종류의 탄소 섬유를 나누어 사용하거나, 적층 구조를 바꾸는 등, CFRP제 골프샤프트 사업에서 쌓아온 기술을 활용해 로터 슬리브 전체에서 응력을 받는 설계로 한다고 한다.

향후, 2030년경 EV에 사용되는 고효율 모터로의 채택을 목표로 하고 있다.

-- 높은 감쇠성으로 날카로운 소리를 저감 --
CFRP와 고무의 일체 성형은 에폭시에 잘 접착되는 고무를 개발함으로써 가능하게 되었다. CFRP의 프리프레그(Prepreg) 간을 이 고무로 접착하면 고무에 의한 진동 감쇠 특성을 얻을 수 있어 가볍고 제진성(制振性)이 있는 자동차용 부품 제작이 가능하다고 한다.

고무의 성분을 조정하여 에폭시에 대한 접착성을 확보했기 때문에 층간을 떼어내려고 하면 고무가 파괴될 정도의 높은 접착력을 얻을 수 있다. 당김 강도는 CFRP와 거의 동등하며, 알루미늄합금의 10배 정도 된다고 한다. 밀도는 알루미늄합금보다 40% 정도 가볍다고 한다.

이번 전시에서는 통상적인 CFRP판과 CFRP와 고무를 일체 성형한 판을 나란히 놓고 두드릴 때 생기는 소리를 비교할 수 있도록 했다. 통상적인 CFRP판에서는 금속 박판과 비슷한 날카로운 소리가 생기는 것에 비해 CFRP와 고무를 일체 성형한 판의 경우에는 둔탁한 소리가 난다.

예를 들어, 빗방울이 떨어지는 소리, 도로 위 튕겨져 나온 조약돌이 닿는 소리 등은 CFRP와 고무를 일체 성형한 판에서는 잘 들리지 않는다. 루프나 보닛, 언더커버, 배터리 케이스 등으로의 응용을 상정하고 있다.

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