일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.10

페라이트 자석으로 EV 모터 구동
프로테리얼, '희토류 프리'의 선택지 확대

프로테리얼(Proterial, 구 히타치금속)은 전기자동차(EV) 등 전동 차량의 구동용으로 사용하기 위해, 페라이트 자석을 사용한 모터를 시작(試作)했다. 이를 통해 최고출력 약 100kW를 얻을 수 있는 것을 확인했다.

이 자석은 많은 구동용 모터에서 사용되는 네오디뮴(Nd) 자석과 달리 희토류를 사용하지 않는다. 구동용 모터에서 높아지고 있는 ‘희토류 프리’ 수요의 선택지를 넓힌다. 자동차 업체나 모터 업체에 제안해, 2030년대 전반에 구동용 모터로 실용화하는 것을 목표로 한다.

프로테리얼은 2022년 12월, 페라이트 자석을 탑재한 모터에서 약 100kW의 최고출력을 얻었다는 시뮬레이션 결과를 발표했었다. “이 발표 이후에 국내외로부터 큰 반향이 있었다. 실제 기기로 검증해 줄 것을 요구하는 목소리가 많았다”(프로테리얼).

시뮬레이션 결과에 따라 프로테리얼은 페라이트 자석 ‘NMF 시리즈’를 구동 모터용으로 제안하기 시작했다. 이 페라이트 자석은 원래 파워 윈도우나 전동식 파킹 브레이크(EPB) 등에 사용하는 보조 모터용으로 전개해 온 것이다.

프로테리얼은 이번에 시뮬레이션 결과에 근거해 페라이트 자석을 탑재한 모터를 설계/시작했고, 성능 시험에서 최고출력 102kW를 얻었다. 모터의 최고 회전수를 1만 5000rpm까지 올렸고 자석의 치수나 배치, 자석을 삽입하는 슬롯의 모양 등을 적정하게 조정함으로써 모터의 출력을 높였다.

모터의 출력은 토크와 회전수의 곱으로 결정된다. 페라이트 자석은 Nd 자석에 비해 자력이 약하며, 시작 모터의 출력 밀도는 Nd 자석을 탑재한 모터보다 낮다. 약 100kW의 최고출력을 확보하기 위해서는 회전수를 올려야 했다. 일반적으로 모터의 회전을 올리면 와전류에 의한 철손(Core Loss, 모터의 철심(코어)에서의 자속 변화가 원인이 되어 발생하는 전력 손실)이 증가하지만 페라이트 자석은 Nd 자석보다 전기저항이 높아 철손을 억제할 수 있다.

-- 희토류의 중국 리스크가 과제 --
프로테리얼의 ‘페라이트 자석을 전동 차량 구동용 모터에 적용한다’는 제안이 눈길을 끄는 이유는 희토류 공급에 대한 우려가 커지고 있기 때문이다. 희토류는 중국에 생산이 집중돼 있어 중국에 대한 의존도도 높아지고 있다. 미국 지질조사국(USGS)에 따르면, 22년 중국의 희토류 생산량은 21만 톤으로 세계 전체의 70%을 차지했다. 21년에 비해 생산량이 증가했다.

페라이트 자석은 주성분이 산화철(Fe2O3)이기 때문에 희토류를 사용하는 Nd 자석에 비해 저렴하고 공급 위험도 줄일 수 있다. Nd 자석은 경희토류인 Nd 외에 고온 환경에서 보자력을 높이기 위해서 디스프로슘(Dy)이나 테르비움(TB)과 같은 중희토류를 첨가하는 것이 일반적이다.

지정학적 리스크를 피하거나 전동 파워트레인의 비용을 줄이기 위해 자동차 업체나 1차 부품업체(티어1)도 희토류를 사용하지 않는 구동용 모터에 대한 대응을 가속화하고 있다. 현재 주류인 Nd 자석을 사용한 영구자석식 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 이외의 모터를 개발, 실용화하는 업체가 증가하기 시작했다.

닛산자동차나 프랑스 르노는 EV의 구동용으로 EESM(Electrically Excited Synchronous Motor)을 실용화했다. 사륜구동(4WD) EV에서는 앞바퀴 측 구동용으로 유도모터(Induction Motor, IM)를 사용하는 사례가 늘고 있다. 이들 모터는 영구자석을 탑재하지 않기 때문에 희토류는 사용하지 않는다.

메가 부품업체 중에서는 독일 Vitesco Technologies와 ZF, 미국의 BorgWarner 등이 EESM이나 IM을 전개한다. 이러한 메가 공급업체들과 전동 파워트레인 부품에서 경쟁하는 Nidek(구 일본전산)도 23년 가을에 희토류를 사용하지 않는 구동용 모터를 내장한 전동 액슬을 양산할 계획이다.

이색적인 것은 미국 테슬라다. 테슬라도 23년 3월에 개최한 투자자 대상 설명회 ‘2023 Investor Day’에서 희토류를 전혀 사용하지 않는 구동용 모터를 개발하는 방침을 발표했다. 그러나 EESM이나 IM은 테슬라의 발표 내용에는 해당되지 않는다.

테슬라의 파워트레인 담당 부사장인 Colin Campbell 씨는 차세대 구동용 모터에 대해 “희토류를 전혀 사용하지 않는 영구자석식 모터다”라고 말했다. 페라이트 자석을 사용한 모터는 이를 충족시키는 후보 중 하나가 될 것이다. 이 자석을 테슬라가 채택하면 프로테리얼의 제안도 더욱 주목을 받게 될 것이다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.