일본산업뉴스요약

중국의 희토류 수출 규제로 주목
발레오・닛파쓰・아스테모, 희토류 프리 및 저희토류 모터 개발

중국의 희토류(레어어스) 수출 규제를 배경으로, 희토류와 중(重)희토류를 전혀 사용하지 않거나 사용량을 줄인 모터가 주목받고 있다. 프랑스의 발레오와 다이도특수강(Daido Steel), 닛파쓰(NHK Spring) 등이 새로운 모터 기술을 개발하고 있다.

각 사의 공통된 문제의식은 희토류의 안정적인 조달에 대한 위기감이다. 중국의 수출 규제가 장기화될 경우 희토류의 안정적인 공급이 어려워질 수 있다. 일부 자동차 부품 업체들은 이에 대비해 희토류를 사용하지 않는 제품 개발을 강화하거나, 희토류 사용량을 줄이고 대체품으로 전환하는 방안을 검토하고 있다. 업체들은 이러한 움직임을 2026년 5월 말 열린 자동차 기술 전시회 '사람과 자동차의 테크놀로지전 2026 YOKOHAMA'에서 구체적으로 드러냈다.

세계 최초로 공개된 중희토류 프리 영구자석 동기모터를 전시한 기업은 발레오였다.

이 모터는 모터 축 내부에서 로터까지 모터 윤활유를 순환시키는 오일 냉각 기술을 적용한 모터다. 테르븀(Tb)이나 디스프로슘(Dy) 같은 중희토류를 사용하지 않으면 네오디뮴-철-보론 자석(NdFeB 자석, 이하 네오디뮴 자석)은 일정 온도 이상에서 보자력(保磁力)이 저하된다. 발레오는 오일 냉각을 통해 감자(減磁)가 문제가 되지 않는 수준으로 모터 온도를 유지함으로써 중희토류를 사용하지 않는 설계를 실현했다.

세부 사항은 공개하지 않았지만 모터 축 내부에 윤활유 유로를 형성하고, 축 외주에서 내부 유로로 관통하는 홀을 마련했다. 이를 통해 윤활유가 원심력에 의해 로터 끝부분으로 분사되도록 설계했다.

또한 로터에도 축 방향으로 관통하는 홀을 여러 개 뚫어서 축에서 분사된 윤활유가 이 홀을 따라 흐르도록 했다. 윤활유가 로터 내부를 순환하면서 로터를 냉각하는 구조다. 이러한 윤활유 순환 시스템을 통해 모터의 온도 상승을 억제한다.

발레오에 따르면 모터 성능을 유지하면서도 중희토류를 완전히 제거할 수 있다. 적용 가능한 로터의 직경은 155~255mm이며, 로터 축 방향 길이는 로터 코어의 적층 두께를 조정해 맞춤형으로 설계할 수 있다.

직경 255mm 로터를 사용할 경우는 적층 두께에 따라 다르지만, 예를 들어 최고출력 200kW, 최대토크 330N·m의 성능을 구현할 수 있다고 한다. 구동 전압은 400V와 800V를 상정하고 있다. 또한 중희토류를 사용하지 않기 때문에 모터 제조부터 재활용까지 전 과정에서 이산화탄소 배출량을 5% 줄일 수 있다는 장점도 있다. 발레오는 이 모터를 2027년부터 양산할 계획이다.

-- 자석 결정을 미세화 --
다이도특수강과 닛파쓰가 공동 개발 중인 것은 중희토류 프리의 로터 기술이다. 다만 발레오와는 다른 접근 방식으로 이를 구현하고 있다.

구체적으로는 네오디뮴 자석의 결정을 미세화함으로써 중희토류를 사용하지 않아도 보자력 저하를 억제할 수 있는 내열성이 높은 네오디뮴 자석을 다이도특수강이 개발했다. 닛파쓰는 이 자석을 이용해 분해가 쉬운 구조의 로터와, 고회전화를 통해 고출력을 구현할 수 있는 로터를 개발하고 있다.

결정을 미세화하기 위해 다이도특수강이 선택한 방법은 제조 공정의 변경이다. 자동차 구동 모터용 네오디뮴 자석은 일반적으로 소결 공법으로 제조된다. 다이도특수강은 이를 다이와 펀치를 이용한 열간 압출 가공 공정(열간 가공 프로세스)으로 변경했다.

소결 네오디뮴 자석의 결정 크기는 작아도 마이크론 수준으로 알려져 있다. 반면 열간 가공 프로세스로 제조한 네오디뮴 자석은 가공 후 결정 크기를 서브마이크론 수준까지 줄일 수 있다고 한다. 결정의 미세화는 내열성 향상으로 이어진다.

열간 가공은 개략적으로 다음과 같은 방식이다. 먼저 선단으로 갈수록 좁아지는 다이를 고온으로 예열한다. 여기에 원료가 되는 다결정 자석 분말을 가볍게 압축한 상태로 투입한 뒤 펀치로 밀어 넣는다. 원료로 사용하는 자석 분말은 급속 냉각을 통해 결정이 미세화된 상태다.

다이가 점차 좁아지면서 분말을 압축하듯 변형이 가해진다. 이에 따라 결정마다 제각각이던 결정축의 배향(자화(磁化)되기 쉬운 방향)이 압축 방향과 평행하게 정렬된다. 다만 현재 단계에서는 자석의 내열성은 중희토류를 사용한 자석보다 다소 떨어지는 것으로 보인다.

닛파쓰는 이러한 다이도특수강의 자석을 활용해 분해가 쉽고 재활용성이 높은 매입형 영구자석(IPM) 동기모터용 로터를 개발하고 있다. 일반적인 IPM 모터는 로터에 구멍을 뚫고 그 안에 자석을 삽입한 뒤, 구멍과의 틈을 수지로 메운다. 자석은 로터에 견고하게 고정되지만 재활용 시 분해가 어렵다는 단점이 있다. 닛파쓰는 박판스프링을 이용해 자석을 고정하는 방법을 고안했다.

판스프링은 로터의 홀 안에 삽입한 자석을 홀 외주 방향으로 눌러 고정하는 역할을 한다. 이를 통해 홀 안에 자석을 안정적으로 고정할 수 있다. 판스프링은 자석 측에 미리 마련된 홈에 지지부를 끼워 넣는 구조로 장착하는 방식이다.

닛파쓰는 표면부착형 영구자석(SPM) 동기모터용 로터도 개발하고 있다. 로터 코어 외주에 중희토류 프리 자석을 배치한 뒤 이를 원통형 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 슬리브로 감싸고, 자석과 슬리브, 로터 코어 사이에 수지를 주입해 고정한 구조이다.

자석이 견고하게 고정되기 때문에 최고 회전수를 3만rpm까지 높일 수 있으며, 이를 통해 모터의 고출력화와 소형화를 실현할 수 있다. 최고출력이 동일한 조건에서 최고 회전수 2만rpm의 IPM 동기모터와 비교하면 모터 부피를 절반으로 줄일 수 있다고 한다.

닛파쓰에 따르면 두 로터 모두 아직 개발 단계이며, 상용화 시기는 미정이라고 한다.

-- 페라이트 자석을 활용 --
한편 희토류 프리 및 저(低)희토류 모터 기술을 소개한 곳은 아스테모였다. 네오디뮴 자석 대신 페라이트 자석을 사용하고, 릴럭턴스 토크를 함께 활용한 주구동 모터와, 자석을 사용하지 않고 릴럭턴스 토크만 이용하는 부구동 모터 기술을 전시했다.

아스테모에 따르면 두 기술 모두 시제품 제작을 완료했다. 전자는 네오디뮴 자석 모터와 동일한 최고출력을 기준으로 했을 때, 후자는 최고출력을 25% 낮춘 조건에서 모두 모터 부피가 약 30% 증가한다. 다만 전자의 페라이트 자석에는 희토류 원소 중 하나인 란탄(La)이 첨가되어 있기 때문에 엄밀히 말하면 저희토류 모터에 해당한다고 한다.

이들 모터는 자석의 자기력이 약하거나 아예 없기 때문에 전류를 늘려 토크와 출력을 높여야 한다. 하지만 그 결과 발열이 증가하기 때문에 냉각 방법이 과제로 남는다.

아스테모는 권선을 배치한 스테이터 슬롯 내부에 오일을 흘려 냉각하는 ‘슬롯 오일 냉각’ 방식을 적용했다. 오일을 분사하는 방식과 비교해 연속 정격 출력이 20% 향상됐다고 한다.

또한 로터 코어의 자속을 다층 구조로 형성하는 ‘다층 플럭스 구조’도 채택해, 코어의 철을 자화(磁化)시켜 자기력을 보완하는 설계도 함께 적용했다.

 -- 끝 --
 

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