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Nikkei X-TECH_2020.12.7

도시바, 모터용 신(新) 자성재 시작(試作)
재료를 바꾸는 것만으로 효율 향상

도시바는 기존 재료를 바꾸는 것만으로 철도 차량을 위한 모터의 효율을 향상시키는 새로운 자성 재료를 시작(試作)했다. ‘자성 쐐기’라고 불리는 것으로, 철도 차량의 구동용 모터로서 주류인 유도식 모터(IM)에 적용했을 경우, “영구자석 동기 모터(PMSM)에 버금가는 고효율을 노릴 수 있다”(도시바)고 한다.

재래선(在來線)을 상정한 동작 조건으로 시험한 결과, 자성 쐐기의 적용 전에 94.9%였던 효율은 적용 후에 0.9% 상승해 95.8%가 되었다. 97% 전후인 PMSM보다는 약간 낮지만, IM으로서는 고효율이다. 경쟁 기업이 철도 차량 모터용 자성 쐐기의 개발을 마친 상태이지만, “우리 제품이 고성능일 것이다”(도시바)라고 자신감을 보이고 있다. 이번 자성 쐐기를 적용할 경우, 모터의 설계를 거의 변경할 필요가 없기 때문에 “최소한의 비용으로 높은 효율을 기대할 수 있다”(도시바)고 한다.

-- 기존의 자성 쐐기에 비해 3가지 점을 개선 --
모터의 쐐기란 고정자(스테이터)의 슬롯부에 수납되어 있는 코일(감기선)의 탈락을 방지하는 뚜껑이다. 쐐기에는 일반적으로 비(非)자성 재료가 이용되지만 자성 재료(자성 쐐기)로 변경함으로써 쐐기 쪽으로 자속(磁束)을 유도할 수 있다. 이에 고정자부의 자속 밀도의 조밀도를 완화시켜 고조파 성분을 억제함으로써 손실을 줄일 수 있다.

-- 자성 쐐기의 효과 --
산업용 모터 제품의 일부에서 자성 쐐기가 적용되고 있지만 이러한 기존의 자성 쐐기에 비해, 이번 자성 쐐기에서는 철도 차량 전용으로 크게 3가지 특성을 향상시켰다. ①이방성을 높임으로써 원하지 않는 방향으로 자속을 새어 나가지 않게 함으로써 ‘자속 제어성’을 향상시켰다. ②자기손실을 줄였다. ③철도 차량 전용으로 내열성을 높였다.

이 3가지를 실현하기 위해 자성 금속 재료의 종류나 입자 형상을 변경시키거나 성형용 재료를 변경시켰다. 기존의 자성 쐐기에서는 자성 금속에 철, 혹은 철 실리콘이 이용된다고 한다. 이번에는 철·코발트·보론·실리콘으로 구성된 아모르퍼스 금속을 채택했다. 뿐만 아니라, 기존에는 구(球)형이었던 자성 금속 입자를 박편 형태의 편평상으로 만들어 자기 이방성을 높였다.

또한 자성 금속 입자를 내열성이 높은 결합재로 성형해 220℃ 대응을 완수했다. 220℃에 장시간 노출되어도 무게가 거의 감소하지 않는 것을 확인했다. 기존의 일반적인 자성 쐐기에서는 약 180℃ 대응에 그친다고 한다.

-- 철도용 IM에 그치지 않는다 --
도시바는 이번 자성 쐐기를 적용한 철도 차량용 IM를 수 년 내에 실용화할 방침이다. 상세한 시기는 분명히 하지 않았지만, ‘8년이나 9년 뒤와 같은 나중이 아닌, 그 전에 이번 자성 쐐기를 채택한 IM를 탑재한 철도 차량에 이용객이 탈 수 있는 것을 상정’ 한다(도시바). 이미 히타치제작소가 자성 쐐기를 채택한 철도 차량용 IM의 제품화가 완료되었지만, 채택 차량은 주행하고 있지 않는 모양새다.

도시바는 철도 차량 전용에서는 이전부터 고효율인 PMSM 이용의 구동 시스템으로 공세를 해왔다. 효율이 높아 철도 차량에서 서서히 채택되고 있지만, IM 이용 구동 시스템에 비해 고가이기 때문에 여전히 주류는 IM이다. “대략 80~90%를 차지한다”(도시바)고 한다. IM의 경우, 1개의 인버터로 여러 대를 제어할 수 있다. 한편, PMSM의 경우는 1개의 인버터로 1대를 제어한다.

이에 따라, 도시바는 PMSM보다 염가로 고효율인 IM의 연구 개발에도 나서고 있다. 신재료의 적용에 의한 IM의 비용은 상승하지만, 모터를 제어하는 인버터 등을 포함한 구동 시스템 전체에서 “PMSM보다 저렴해질 것이다”(도시바)라고 보고 있다.

이번 자성 쐐기의 적용 범위는 넓다. 철도용 PMSM에 적용할 경우, IM 만큼의 성장 폭은 아니지만, “시뮬레이션 상에서는 0.2~0.3%포인트 정도 효율이 향상된다”(도시바)고 한다. 또한 산업용으로 IM을 적용하는 것도 노리고 있다. 이번 자성 쐐기를 산업용 IM에 적용할 경우, ‘IE3(프리미엄 효율)’ 상당의 효율을 ‘IE4(슈퍼 프리미엄 효율)’ 상당의 효율까지 단번에 높일 가능성이 높다고 보고 있다. 도시바에 따르면, 산업용 모터로 자성 쐐기가 채택되고 있는 것은 1M(메가) W급과 같은 대형 제품 등, 극히 일부에 지나지 않는다고 한다.

이번 자성 쐐기는 내열성을 높이고 있으므로 철도 차량이나 산업 기기 외에, 자동차나 의료용 기기, 로봇 등의 분야의 모터에도 적용할 수 있다고 보고 있다. 다만, 이번 자성 쐐기를 철도 차량용 IM에 적용해, 실제의 재래선에서 구동하는 동작 조건(예를 들면 정격 100 k~200 kW)으로 효율을 조사했지만, 현 시점에서는 다양한 동작 조건으로 효율을 조사하고 있지 않다. 그 예로, 전동 차량의 경우는 저회전(저속)/고(高)토크나 고속/저(低)토크 등에서 구동한다. 이번 자성 쐐기를 적용한 모터의 효율 맵이 나온 뒤에 응용처가 어디까지 확대되는 지를 판별할 수 있게 될 것이다.

 -- 끝 –

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