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Nikkei X-TECH_2022.4.21

수지화로 EV 모터 20% 소형화
스미토모 베이크라이트, 2023년에 대량 생산

전기자동차(EV)의 구동용 모터가 성능 진화의 속도를 올리는 가운데, 어떤 문제가 표면화되고 있다. 열손실의 영향이 커지기 시작한 것이다. 대책을 강구하지 않으면 구동전압의 800V화나 2만rpm 초과의 고속 회전화 같은 모터 소형화 기술의 이점을 살릴 수 없을 것 같다.

그 과제를 수지 기술로 해결하려는 업체가 스미토모 베이크라이트(Sumitomo Bakelite)이다. “자동차 업체나 대기업 자동차 부품업체 등, 수십 개의 업체가 채용을 검토하고 있다. 2023년 말까지는 우리의 기술을 이용한 제1호 제품이 양산될 전망이다”(스미토모 베이크라이트 스마트커뮤니티시장개발본부의 사시다(指田) 씨).

스미토모 베이크라이트가 개발한 것은 전동 차량의 구동용 모터의 코일을 고정하는 수지이다. 모터를 구성하는 스테이터(고정자)와 로터(회전자) 중 스테이터에 사용한다. 코일과 코어(철심)를 수지로 밀착시킴으로써 방열 성능을 크게 높일 수 있다고 한다.

사용하는 재료는 액상의 에폭시 수지다(수지는 상온에서는 고체, 몰드 시에 한 번 액상화되고, 그 후에 경화된다). 원래는 반도체의 봉지재로, 스미토모 베이크라이트가 세계 최고의 점유율을 확보하고 있다. 차량탑재용으로는 구동용 모터의 로터로 널리 사용되고 있다. 영구 자석식 동기 모터의 로터로 코어와 자석의 틈새를 수지로 메워 고정한다. 도요타자동차를 비롯한 많은 자동차 업체가 채용하고 있는 것은 주지의 사실이다.

-- 800V화나 고속 회전화의 효과를 발휘할 수 있을까? --
이번에 개발한 스테이터 전용 수지는 절연지에서 수지로 치환하는 것을 목표로 한 것이다. 절연지는 구리(Cu)선 코일과 코어 사이에 끼움으로써 절연성을 확보한다. 현재 주류의 방법이지만 수고와 시간이 걸린다. 먼저 코일과 코어 사이에 배치할 수 있도록 종이를 접는다. 절연지나 코일, 코어 등을 조립하면 바니시(Varnish)라고 불리는 액체 도료를 흘려 넣는다. 그 후, 고온 원자로에서 몇 시간 건조시켜 스테이터로 완성한다.

수고나 시간과 더불어 절연지를 사용하는 스테이터의 나쁜 방열성을 걱정하는 소리가 많아지기 시작했다. 절연지의 열전도율은 0.1~0.3W/mK로 낮다. 또한 스테이터 구조 상, 바니시를 주입하지만 코일과 코어, 절연지 틈새로 공기가 남기 쉽다. 여기에 열이 쌓이면서 열손실(구리손실)이 증가한다. 모터의 효율이 떨어지기 때문에 EV의 전력소비율(전비)이나 하이브리드차(HEV)의 연료소비율(연비)에 영향을 미친다.

모터는 작고 고회전일수록 온도가 상승해 효율이 나빠진다. 800V화나 고속 회전화는 모두 모터의 소형화에 기여하는 기술이지만, 높은 방열성을 확보하지 않으면 소형화의 효과는 미비해져 버린다. 이 때문에 효율을 우선해 모터의 크기에 여유를 두는 것도 많다.

절연지에서의 치환을 목표로 하는 스미토모 베이크라이트의 수지는 열전도율이 1~10W/mK로 높다. 코일과 코어를 빈틈없이 메울 수 있기 때문에 코일에서 발생한 열을 수지나 코어를 통해 외부로 내보내기 쉽다.

스미토모 베이크라이트는 시뮬레이션을 통해 방열 성능을 검증했다. 최고 출력 150kW의 모터를 작동시켰을 때의 코일 온도를 비교했다. 절연지를 이용한 기존 제품에서는 200도 이상으로 상승했지만 수지를 이용한 개발품에서는 164도로 억제할 수 있었다고 한다. 실제로는 EV 구동용 모터의 온도가 200도까지 올라가지는 않는다. 150도 이상이 되지 않도록 하는 것이 일반적이며, 냉각기구를 준비하거나 출력을 억제하는 제어를 실행하고 있다.

약 40도의 차이를 어떻게 볼 것인가? “온도를 40도 내릴 수 있으면, 부피가 20% 정도 작은 모터로 동등의 출력을 실현할 수 있다”(스미토모 베이크라이트의 개발 담당자). 절연지를 사용하는 기존 제품처럼 모터를 크게 해서 발열을 억제할 필요성이 줄어들기 때문이다.

모터의 새로운 소형화를 위해 스미토모 베이크라이트는 ‘코일 직냉’의 냉각 구조를 제안한다. 구동용 모터는 통상 알루미늄(Al) 합금의 외장 케이스에 수로를 만든다. 여기에 냉각수를 넣어 모터를 식힌다. 코일에서 발생한 열은 절연지나 코어 등을 개입시켜 냉각수로 내보낸다.

코일 직냉의 경우는 코일 근방에 냉각수를 준비한다. 코일을 고정하는 수지에 수로를 만들고, 냉각수를 흘려 넣음으로써 방열성을 높일 수 있다고 한다. 앞에서 소개한 시뮬레이션에서는 코일 온도는 151도로 낮았다.

-- 제1호는 전동 이륜차인가? --
보급을 위해 해결해야 할 과제는 새로운 생산기술∙설비의 구축이다. 전용 장치를 개발하여 모터의 제조 공정에 도입할 필요가 있다. 사용하는 수지는 열경화성이므로 일정한 온도에 올려 성형한다. 온도를 높인 스테이터는 무겁고, 자동화하는 장치를 꼭 필요하다. 때문에 장치 업체와 제휴하면서 검토를 진행시키고 있다고 한다.

“성형 기술에 대해서도 자동차 업체나 부품업체로부터 많은 개발 테마를 받고 있는 단계다”(사시다 씨). 예를 들어 코일과 코어 사이의 내벽으로서 절연성을 확보하는 수지의 두께는 현재 300μm 정도이지만 150μm 정도로 얇게 만들 수 있도록 검토 중이다.

23년도 말까지 양산이 시작되는 제1호 제품은 해외 업체의 전동 이륜차가 될 것으로 보인다. 4륜차 업체들은 채용 실적이 없다는 이유로 상황을 지켜보고 있지만 관심은 높다. 로터의 자석을 고정하는 역할이 접착제에서 수지로 대체된 것처럼 스테이터에서도 세대 교체가 진행될 가능성이 나왔다.

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