Nikkei Automotive_2023.11 특집 (p24-25)

'희토류 프리'의 EV 모터
프로테리얼, 페라이트 자석을 제안

프로테리얼(Proterial, 구 히타치금속)이 전기자동차(EV) 등에 사용하는 구동용 모터에서 ‘희토류 프리(Rare Earth Free)’의 선택지를 넓힌다. 프로테리얼은 전동 차량의 구동용을 상정하고 페라이트 자석을 사용한 모터를 시제하여, 최고 출력 약 100kW를 얻을 수 있는 것을 확인했다.

이 페라이트 자석은 많은 구동용 모터에서 사용되는 네오디뮴(Nd) 자석과 달리 희토류를 사용하지 않는다. 자동차 업체나 모터 업체에 제안해 2030년대 전반에 구동용 모터에서 실용화하는 것을 목표한다.

프로테리얼은 2022년 12월, 페라이트 자석을 탑재한 모터에서 약 100kW의 최고 출력을 얻었다는 시뮬레이션 결과를 발표했다. 프로테리얼은 이 발표 이후에 “국내외에서 큰 반향을 불러일으켰다. 실제 기기를 이용한 검증을 요구하는 의견도 많았다”라고 말한다.

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

프로테리얼은 이번에 시뮬레이션 결과를 바탕으로 페라이트 자석을 탑재한 모터를 설계/시제하여, 성능 시험에서 최고 출력 102kW를 얻었다. 모터의 최고 회전수를 1만 5000rpm까지 끌어올렸고, 자석의 치수나 배치, 자석을 삽입하는 슬롯의 모양 등을 적정화함으로써 모터의 출력을 높였다.

-- 희토류의 중국 리스크로 모터 다양화 --
프로테리얼의 제안에 이목이 집중되는 이유는 희토류 공급에 대한 우려가 커지고 있기 때문이다. 희토류는 중국에 생산이 집중되어 있어 중국에 대한 의존도 높아지고 있다. 미국 지질조사국(USGS)에 따르면, 2022년의 중국의 희토류 생산량은 21만 톤으로 세계 전체의 70%를 차지했다. 2021년에 비해서도 증가했다.

페라이트 자석은 주성분이 산화철(Fe₂O₃)이기 때문에 희토류를 사용하는 Nd(네오디움) 자석에 비해 저렴하고 공급 리스크도 줄일 수 있다. Nd 자석은 경희토류인 Nd 외에 고온 환경에서의 보자력(保磁力)을 높이기 위해 디스프로슘(Dy)이나 테르비움(TB)과 같은 중희토류를 첨가하고 있는 것이 일반적이다.

지정학 리스크의 회피나 전동 파워트레인의 비용 저감 등을 위해, 자동차 업체나 1차 부품 업체(티어1)도 희토류를 사용하지 않는 구동용 모터에 대한 대응을 가속하고 있다. 현재 주류인 Nd 자석을 사용한 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM) 이외의 모터를 개발, 실용화하는 업체가 증가하기 시작했다.

닛산자동차와 프랑스의 르노는 EV 구동용으로 전기 여자식 동기모터(Electrically Excited Synchronous Motor, EESM)를 실용화했다. 사륜구동(4WD) EV에서는 앞바퀴 측의 구동용으로 유도모터(Induction Motor, IM)를 사용하는 예도 많이 있다. 어느 모터도 Nd 자석은 탑재하지 않아 희토류는 사용하지 않는다.

티어1에서는 독일 Vitesco Technologies나 ZF, 미국 BorgWarner 등이 EESM이나 IM을 전개한다. 경쟁사인 니덱(구 일본전산)도, 23년 가을에 희토류를 사용하지 않는 구동용 모터를 내장한 전동 액슬의 양산을 시작할 계획이다.

이색적인 것이 미국 테슬라다. 테슬라도 23년 3월에 개최한 투자자 대상 설명회 ‘2023 Investor Day’에서 희토류를 전혀 사용하지 않는 구동용 모터를 개발하는 방침을 공표했다. 다만 EESM이나 IM은 테슬라의 공표 내용에는 들어맞지 않는다.

테슬라의 Vice President로 파워트레인 부문을 통괄하는 Colin Campbell 씨는 차세대 구동용 모터에 대해 “희토류를 전혀 사용하지 않는 영구 자석식 모터다”라고 설명한다. 페라이트 자석을 사용한 모터는 이를 충족시키는 후보 중 하나가 될 것이다. 이 자석을 테슬라가 채택하면 프로테리얼의 제안도 더욱 주목을 받을 것이다.

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