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Nikkei X-TECH_2022.8.1

업계를 놀라게 한 덴소의 플라잉카용 모터
'4kg, 100kW' 스펙에 놀라다

“이번 채택은 우리이게는 매우 중요한 한 걸음이다”. 2022년 5월, 미국의 우주항공 기업 허니웰(Honeywell International)과 공동개발하고 있는 전동항공기용 전동모터가 '플라잉카', 이른바 전동 수직이착륙기(eVTOL)에 채택되었다고 발표한 덴소는 그 의미에 대해 이렇게 말한다.

덴소의 전동모터를 탑재하는 것은 독일 벤처기업 릴리움(Lilium)이 개발하고 있는 eVTOL ‘Lilium Jet’이다. 현시점에서 많은 업계 관계자가 스펙 값이나 비행시험 실적 등에서 에어택시용 eVTOL의 ‘유력 후보’라고 평가하는 것은 도요타자동차도 출자한 미국 Joby Aviation의 ‘S4’이다. 이에 대해,

전 야마하발동기의 무인 헬리콥터 개발 엔지니어이자 현 AM Creation의 마쓰다(松田) 사장은 “Lilium Jet은 다크호스 같은 존재로 주목을 받고 있다”라고 말한다.

그 이유는 S4는 5인승에 항속거리가 240㎞인 반면, 길이 8.5m, 날개 폭 13.9m의 Lilium Jet은 7인승에 항속거리가 250㎞ 이상으로, 스펙 상으로는 비행 효율에서 앞서기 때문이다. 2025년에 형식 증명을 취득하는 것을 목표하고 있다.

Lilium Jet의 큰 특징은 ‘추력편향전동덕트(DEVT: Ducted Electric Vectored Thrust)’이라 부르는 독자적인 추진시스템에 있다. 플랩(Flap)부에 30기의 덕트팬(덕트 내에 프로펠러를 배치하는 구조)을 배치하고, 이륙 시에는 플랩을 내려 수직으로 상승, 그 후에는 플랩을 올려 수평 비행한다.

일반적인 프로펠러는 추진 방향 이외에 직교 방향으로도 기류를 발생시키는데, 덕트팬의 배치로 비행 효율이 높아진다. 게다가 소음도 낮아진다고 한다. 이 덕트팬의 핵심은 그것을 구동하는, 덴소와 허니웰이 공동 개발한 모터이다. 모터는 각 덕트팬에 1개씩, 합계 30개가 Lilium Jet 1기에 탑재된다. 공냉 대응이기 때문에 냉각기구를 간소화할 수 있는 것도 장점이라고 한다.

-- 모터 관계자도 놀라는 스펙 --
"이 스펙 값이 사실인가요?" 덴소와 허니웰이 공동 개발 모터를 채택하면서 공개한 발표문에 적힌 '무게 약 4kg에 100kW 출력'이라는 스펙 값이 업계 관계자들을 놀라게 했다. 현재 기체 개발이 진행 중인 eVTOL에 탑재되고 있는 모터는 최고 수준이 출력 수십kW, 출력밀도 1~2kW/kg 수준인 것으로 알려졌다.

반면 덴소와 허니웰이 개발한 모터의 출력밀도는 계산상 25kW/kg이 된다. 모터업계 관계자들은 이는 믿기 어려운 수치라고 말한다. 동시에 한 업계 관계자는 “기체, 구동계, 전원, 시스템이 일체가 되어 개발을 추진해 왔기 때문에 실현된 훌륭한 결과이다”라고 말한다.

덴소는 이 모터에 대해 “eVTOL에서는 프로펠러를 구동하는 전동추진시스템(EPU)이 대당 6~30대나 탑재된다. 때문에 경량성이 가장 중요한 요건이 된다. 당사 개발품은 차량탑재용과 비교해 출력밀도를 크게 향상시켰으며, 세계 최경량 수준을 목표로 하고 있다”라고 말한다. 그러나 기술에 대한 상세한 내용은 공개하지 않았다.

때문에 현 시점에서는 경쟁 제품과 단순히 비교할 수 있는 것인지 아닌지는 불투명하지만 어쨌든 실용화를 위한 향후 개발에 큰 이목이 집중될 것은 분명하다.

-- 항공기나 FA에서 축적한 기술을 전용 --
“일본은 eVTOL 기체 개발에서는 유럽과 미국의 선두 그룹에 많이 뒤처져 있다”라고 지적하는 전문가가 많다. 그러나 한편으로 일본 기업이 강점을 발휘할 수 있는 기술 분야 중 하나가 모터라고 말하는 전문가도 많다. 이를 입증한 것이 Lilium Jet에 채용된 덴소의 모터이다.

정부로부터 아시아 No.1 항공우주산업 클러스터 형성 특구로 지정된 나가노현 이다시에 본사를 두고 있는 다마가와정기(TAMAGAWA seiki)도 eVTOL 시장에 기대를 거는 업체이다. 그동안 다마가와정기는 미국 보잉과 유럽 에어버스 등 민간 항공기용 모터와 센서 등 다양한 부품을 공급해 온 실적을 갖고 있다.

다마가와정기는 최근의 ‘항공기 전동화’라는 기술 트렌드의 하나로서 eVTOL이나 대형 드론에 주목하고 있다. 다마가와정기는 지금까지 FA(산업기기) 등을 위한 출력 30kW의 모터(무게 30kg, 출력밀도 1kW/kg)나 드론용 고출력 모터 등을 개발해 왔다. 19년 8월에 NEC가 비행 데모를 선보인 자체 개발 eVTOL에는 다마가와 정기의 드론용 모터가 채택되었다.

이러한 기술을 기반으로 eVTOL에 사용할 수 있는 100kW급 고출력 모터 개발을 목표하고 있다. “eVTOL용 모터는 안전 대책도 고려하여 어쨌든 가벼워야 한다. 고출력화만 실현한다면 여러 기술을 채용하면 가능하지만 무거워진다. 그래서 eVTOL용은 중량 출력밀도를 높여야 한다. 목표는 8kW/kg이고, 이것을 실현하는 것은 큰 도전이다”(다마가와정기의 구마가이(熊谷) 전무).

이미 다마가와정기는 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 선도연구프로그램으로 21년 7월까지 출력 20kW, 출력밀도 4.4kW/kg의 모터를 개발했다. 기체 업체에서 평가 중이라고 한다.

현재 세계 곳곳에서 개발되고 있는 eVTOL에 탑재된 모터의 출력밀도는 1~2kW/kg 수준이 많기 때문에 충분히 경쟁력이 있다고 보고 있다. 자석의 배열을 고안하는 등의 최적화 설계, 여자손실(Excitation Loss)이 적은 권선, 열대책으로서 열전도율이 기존의 10배인 재료의 채용 등으로 고출력 밀도화를 달성했다고 한다.

게다가 다마가와정기는 NEDO의 위탁연구사업으로 100kW의 고출력 모터를 개발 중으로, 이 모터는 출력밀도 6kW/kg을 목표하고 있다고 한다. 23년에는 개발을 완료하고, 24년 무렵에는 기체에 탑재해 평가를 받을 수 있다고 한다.

-- 가격 폭등한 구리 대신에 알루미늄 --
앞으로 eVTOL 수만 대가 하늘을 비행하게 되었을 때, 현재 자원 부족과 가격 급등의 문제가 있는 구리를 고출력 모터의 코일에 계속 사용할 수 있을까? 이런 우려 때문에 구리 대신에 알루미늄 합금제 코일을 사용한 독자 구조의 모터를 개발하고 있는 업체가 있다. ASTER(아키타현)이다.

구리 값은 계속 치솟고 있다. 세계은행에 따르면, 21년 기준 톤당 가격은 9,713달러다. 11년에는 7,962달러, 06년에는 6,722달러였다. 반면 알루미늄 가격은 구리의 1/3 수준이고, 자원 부족의 우려는 없다.

ASTER가 개발한 ‘AST 모터’의 특징은, 기존의 구리선을 감고 있던 코일을 독자적인 적층 기술을 사용한 판상의 알루미늄 합금 성형품 등으로 대체한 점이다.

알루미늄의 전기저항값이 구리의 약 1.6배라고 하는 약점은 있다. 그러나 AST 모터에서는 코일의 단면에서 차지하는 도체의 비율인 점적률을 기존 약 50%에서 90% 이상으로 높였기 때문에 출력밀도나 응답성 등의 특성이 개선된다고 한다.

구체적으로는 대단면적(大斷面積)화한 코일에는 대전류를 보낼 수 있기 때문에 모터의 응답성이 향상되고 방열성이 개선되면서 피크 출력을 기존 모터보다 장시간 유지할 수 있다고 한다. 또한 eVTOL에 응용하는 것을 생각했을 때 유리한 점이 알루미늄 비중이 2.7로 구리의 약 1/3이라는 점이다. “모터가 대형화될수록 알루미늄의 경량성이 출력밀도의 향상에 기여한다”(ASTER의 혼고(本郷) CEO).

또 하나, ASTER가 강점으로 주장하는 것이 독자 구조를 통해 완전 밀폐화함으로써 IP67의 방진/방수 성능을 세계 최초로 실현했다는 점이다. 사람이나 짐을 옮기는 eVTOL이나 대형 드론은 비가 오면 운항을 정지해야 하기 때문에 가동률이 떨어져 사업에 악영향을 미친다. 그 점에서도 IP67 대응은 경쟁력이 된다”(혼고(本郷) CEO).

이미 ASTER는 드론과 전기자동차(EV)용 AST 모터를 개발하고 있으며, 22년 9월에 양산 출하를 시작할 예정이다. 여기에 NEDO의 선도연구프로그램에서 eVTOL을 위해 출력밀도를 보다 높인 모터를 개발하고 있다.

“이미 5kW/kg품은 개발이 끝났고, 현재는 6kW/kg의 실현을 목표로 개발을 진행하고 있다. 6kW/kg에서도 IP67 대응을 실현할 수 있다면 훨씬 앞서게 된다. 25년에는 제품으로 출하하고 싶다”(혼고 CEO). 또한 출력은 NEDO의 선도연구에서는 22년에 최대 10kW를 목표로 하고 있지만, 실제로는 30kW 이상을 시야에 넣고 개발하고 있다고 한다.

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