일본산업뉴스요약

초소형 경량 '초전도 모터' 개발
도시바 계열과 도요타, 항공기와 자동차 적용 조준 1부

초전도 모터 개발이 크게 진전되기 시작했다. 고온 초전도 선재를 사용해 초소형이면서도 고출력을 구현할 수 있어 ‘궁극의 모터’라고 불린다. 도시바 에너지 시스템즈(가와사키시)와 유럽 에어버스는 2030년대에 수소를 연료로 하는 항공기에 탑재하는 것을 목표로 하고, 도요타자동차는 수소 엔진 차량에 탑재를 모색하고 있다. 각 사는 연비와 항속거리의 대폭적인 개선으로 이어질 것으로 보고, 실용화 검증을 본격화하기 시작했다.

도시바 에너지 시스템즈는 항공기의 전동화에 필요한 2MW(메가와트)급 초전도 모터를 목표로 2호 시제품을 개발 중이다. 앞으로 초전도 모터 도입을 검토 중인 에어버스와 긴밀히 협력해 시제품 제작을 거듭하며 실용화를 추진한다. 도요타는 개발 중인 수소 엔진 차량 ‘GR 코롤라’에서 연료를 공급하는 펌프에 초전도 모터를 적용하고 있다.

-- 탈탄소가 추동력 --
초전도 모터는 회전자와 고정자의 권선에 고온 초전도 선재를 사용하는 모터를 말한다. 영하 196℃ 정도까지 냉각해야 하지만, 권선의 전기 저항이 0이 되므로 대전류로 구동할 수 있다. 일반 산업용 모터와 비교하면 출력 밀도를 약 10배 정도 높일 수 있다.

보급 확대의 배경에는 수소 연료 기반 차세대 모빌리티와의 궁합이 좋다는 사실이 있다. 수소를 연료로 하는 차세대 항공기와 수소 엔진 차량에는 영하 253℃의 액체 수소가 사용되며, 이를 초전도 선재의 냉각에 활용할 수 있다. 탈탄소 사회 실현을 위해 차세대 항공기와 수소 엔진 차량 개발이 진행되는 흐름에 맞춰, 초전도 모터의 기술적 성숙도가 높아질 것으로 기대된다.

-- 2MW급 실현 향해 시제품 개발 --
도시바 에너지 시스템즈는 항공기 전동화의 기준이 되는 출력 2MW급 실현을 목표로 초전도 모터 2호기를 개발 중이다. 1호기는 2022년에 이미 공개됐으며, 2호기에서는 경량화와 출력 밀도 향상을 목표로 한다. 출력 밀도는 1호기의 5.3kW/kg에 비해, 2호기에서는 이미 7kW/kg을 확인했다. 앞으로 필요한 성능에 대해 에어버스와 논의를 진행한다.

도시바 에너지 시스템즈가 개발 중인 초전도 모터는 동기 모터의 일종이다. 전원 주파수에 따라 정해지는 동기 속도로 회전한다. 구조는 고정자와 회전자로 이루어져 있으며, 기존 산업용 모터와 크게 다르지 않다. 전기자 코일은 일반적인 상전도 코일이지만, 회전자 측의 계자 코일에는 고온 초전도 선재를 사용한다. 동작 시 전기자 측에 3상 교류를 흐르게 하여 회전 자기장을 생성하고, 회전자를 회전시킨다.

1호기 시험에서는 등가법이라는 방법을 사용해 발전기로 회전시키며 성능을 평가했다. 그 결과 최대 2MW 급의 출력과 분당 7200회 회전이 가능할 것으로 확인됐다. 2호기에서는 설계 최적화를 통해 경량화하고 출력 밀도를 높인다. 회전자 재료 변경을 통해 추가적인 경량화를 기대할 수 있다.

도시바 에너지 시스템즈 기술고문 도사카(戸坂) 씨는 “30년 전 진행했던 초전도 발전기 개발 프로젝트가 간접적으로 도움이 되고 있다”고 말했다. 초전도 발전기 개발을 통해 저온 메커니즘과 초전도 코일에 관한 지식을 축적해 왔다. 초전도 발전기와 동기 모터는 발전기 구조가 거의 동일해 공유할 수 있는 기술 요소가 많다고 한다.

개발에서 특히 특징적인 부분은 회전자 측 구조다. 1호기 회전자를 회전축과 일체화된 단열관 구조를 채택해, 회전자 내부 초전도 코일을 냉각하기 위한 냉매를 축에서 공급할 수 있도록 했다.

회전축에는 냉매인 헬륨 가스를 주입·배출할 수 있는 공간을 마련했다. 헬륨 가스는 연료 탱크 내부의 액체 수소와 열교환을 통해 약 20K(켈빈, 영하 253℃)까지 냉각된다. 냉각에 사용한 헬륨은 회전축의 다른 구멍에서 회수한 뒤 다시 열교환에 사용한다.
 

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