Nikkei Automoyive_2024.11 (p18-19)

니덱, 3만rpm 이상의 EV 모터 개발
자석 프리로 소형 및 고출력화 도모

니덱이 영구자석을 사용하지 않는 모터를 채택한 전동 액슬(Axle) 개발에 주력하고 있다. 유도모터(IM)를 사용하여 지정학 리스크를 피하고, 모터의 회전수와 감속비를 높여 소형·고출력화를 도모할 방침이다. 주로 소형 전기자동차(EV)용의 전동 액슬로, 2028년에 실용화하는 것을 목표로 한다.

메카트로닉스·일렉트로닉스 관련 기술 전시회 ‘TECHNO-FRONTIER 2024’(7월 24~26일, 도쿄빅사이트)에서 니덱은 이 전동 액슬의 목업을 최초로 공개했다. 전동 액슬은 전동차용 구동 모듈로, 리튬이온전지와 어깨를 나란히 하는 EV의 핵심 부품으로 자리잡고 있다. 구동용 모터와 인버터, 감속기 등 3개의 부품을 일체화한 '3 in 1'으로 불리는 형식이 주류이다. 니덱의 전동 액슬도 3 in 1형으로, 최고 출력 150kW를 상정해 개발 중이다. EV의 볼륨존인 B~C세그먼트 차량을 중심으로 채택을 노리고 있다.

니덱의 이번 전동 액슬은 니덱이 2019년에 양산을 시작한 1세대 제품에 비해 용적을 35% 줄일 수 있다고 한다. 공칭 치수는 차량의 폭 방향 460×전후 방향 415×높이 방향 295mm이다. 높이 방향에 대해서는 “한층 더 10mm 저배화(低背化)한 285 mm로 설계되었다”(니덱의 개발 담당자)라고 한다.

현행 EV의 전동 액슬에서는 소형화 및 고출력화 등에 대한 요구에 대응하기 위해 출력 밀도가 비교적 높은 영구자석동기모터(PMSM)를 사용하는 경우가 많다. PMSM은 로터(회전자)에 네오디뮴(Nd)자석을 사용한다. Nd자석은 경(輕)희토류의 Nd 외에도 고온 환경하에서의 보자력(保磁力)을 높이기 위해서 디스프로슘(Dy)이나 테르븀(Tb)과 같은 중(重)희토류를 첨가하는 것이 일반적이다.

하지만, 이러한 희토류는 생산이 중국에 집중되어 있어, 조달난이나 가격 급등의 우려가 있다. 미국 지질조사국(U.S. Geological Survey)에 따르면, 2023년의 중국의 희토류 생산량은 세계 전체의 약 70%를 차지했다.

희토류에 수반되는 지정학적 리스크를 고려해 니덱이 개발을 추진하고 있는 것이 IM을 사용한 전동 액슬이다. IM은 희토류를 사용하지 않는다는 장점은 있지만, PMSM에 비해 출력밀도가 떨어져 소형화나 고출력화에는 불리하다. 니덱은 모터의 최고 회전수를 3만 2,000rpm으로 높임으로써 용적 및 출력에서의 과제를 극복하려 하고 있다.

-- 고회전화로 인한 철손(鉄損)에도 대응 --
모터의 출력은 토크와 회전수의 곱으로 결정되며, 토크는 모터의 부피에 비례한다. 회전수를 높이면 소형화와 고출력화를 양립하기 쉽다. 현행의 EV에 있어서 모터의 최고 회전수는 가장 높은 것이 2만 수천 rpm. 니덱의 이번 개발품은 회전수가 매우 높은 부류에 들어간다.

하지만 모터를 고회전화하면 철손이 증가한다는 문제도 있다. 철손은 모터 코어(철심)에서의 자속(磁束) 변화로 의해 주로 열로서 발생하는 전력 손실로, 손실의 크기는 모터 회전수의 제곱에 비례한다. 니덱은 자세한 내용을 밝히지 않고 있지만, 모터 코어 일부에 통상적으로 사용되는 전자 강판과는 다른 저철손 연자성 재료를 채택해 철손을 억제할 수 있다고 한다.

감속기에는 유성기어장치가 사용된다. 전동 액슬에서 유성기어장치를 사용하는 경우, 감속기는 모터의 축과 차축을 일직선상에 배치하는 ‘동축형(同軸型)’으로 하는 것이 많지만, 니덱의 전동 액슬에서는 양 축을 평행으로 나열한다. 동축형으로 하지 않은 이유는 차량으로의 탑재성을 고려한 판단이라고 한다. 모터의 고회전화에 따라 감속비는 24로 높였다.

전력 효율을 높이기 위해 인버터에 사용되는 파워반도체는 탄화규소(SiC)를 상정하고 있다. 탄화규소를 채택함으로써 현행 EV의 인버터에서 주류인 실리콘 IGBT(절연게이트 양극성트랜지스터)에 비해 스위칭 손실을 억제할 수 있다고 한다.
 -- 끝 --

Nikkei Automotive_2024.11 (p20-21)

에너지 소비 없이 시원한 자동차
닛산 등, ‘방사냉각도료’ 개발

‘에너지 소비 없이 자동차를 보다 시원하게’. 이러한 도전을 하고 있는 곳이 닛산자동차이다. 닛산자동차는 방사냉각소재 기술을 가진 중국의 라디쿨(Radi-Cool)과 공동으로 자동차용 방사냉각도료(자기방사냉각도료라고도 부른다)를 개발, 실제로 이 도료를 적용한 차량을 사용해 실증시험을 실시했다. 조건에 따라 다르지만, 이번 실증시험에서 루프 패널 표면은 최대 12도, 운전석 머리 쪽 공간은 최대 5도 정도 온도를 낮출 수 있다는 것을 확인했다.

방사냉각이란 물체가 방사하는 전자기파에 의해 물체의 온도가 떨어지는 현상을 가리킨다. 방사냉각소재란 그러한 방사냉각의 힘과 물체의 온도 상승을 일으키는 태양광(근적외선)을 반사하는 힘을 높인 것이라고 한다.

닛산자동차와 라디쿨이 공동으로 개발한 도료는 태양광이 닿으면 도막(塗膜)에서 전자기파가 나온다. 그 전자기파의 파장은 8μ~13μm로, 이러한 파장의 전자기파가 방사 냉각력을 높인다고 한다. 닛산에 따르면, 도장면 1m²당 약 70W에 해당하는 열이 방출된다. 또한 이 파장의 전자기파는 대기에 흡수되지 않고 우주로 방출되기 때문에 지구 온난화 억제에도 기여한다.

무엇보다 강한 햇빛 아래에 놓인 자동차의 태양광에 의한 온도 상승은 심하다. 방사냉각만으로는 온도 상승을 충분히 억제할 수 없다. 양사가 근적외선을 반사하는 힘에도 주목한 것은 이 때문이다. 온도 상승의 요인을 줄임으로써 보다 효과적으로 온도 상승을 억제할 수 있도록 한 것이다.

이번에 양 사가 공동으로 개발한 도료는 도막에 2종류의 마이크로 구조 입자를 분산시킴으로써 이러한 기능을 실현했다. 구체적으로는, 근적외선을 반사시키는 입자와 도막 온도가 상승했을 때 전자기파를 방사해 열을 밖으로 방출하는 입자이다.

후자의 입자는 도막의 온도가 상승하면 입자 표면에 전하의 치우침이 발생한다. 전하의 치우침은 불안정하기 때문에 안정된 상태로 되돌아가기 위해 전하가 움직인다. 이 때 파장 8μ~13μm의 전자기파가 방사되어 열이 방출된다.

그렇다면 겨울철은 어떨까? 닛산에 따르면, 방사냉각되는 에너지는 도막 온도가 올라갈수록 늘어난다. 구체적으로는 “도막의 절대 온도의 4승에 비례해 방사냉각되는 에너지는 커진다”(닛산). 이 때문에 겨울철에는 일반적으로 도장한 것과의 온도차는 사람이 판별하기 어려운 수준이라고 한다. 어떻게 보면 편리한 도료라고 할 수 있다. 또한, 마이크로 구조 입자는 자연계에 풍부하게 존재하고 있는 재료를 사용할 수 있다는 강점도 있다.

닛산에 따르면, 이번에 개발된 도료는 탑코트 아래에 바르는 컬러코트로 사용된다. 개발 당초에는 120μm로 두꺼웠지만, 박막화가 진행되고 있다. 하지만 아직 양산차에서 적용되고 있는 20㎛에는 이르지 못했다. 이 때문에 “양산의 사이클 타임을 생각하면, 현 상태로는 양산 라인에서의 도장에는 사용하기 어렵다”라고 닛산은 밝힌다. 우선은 특장 차량으로의 적용 및 도료로서의 판매를 검토해 나갈 것이라고 한다.

닛산은 라디쿨 일본법인 라디쿨재팬(도쿄)의 판매 대리점인 일본공항빌딩의 협력을 얻어 2023년 11월부터 1년간 하네다공항에서 실증실험을 실시하고 있다. ANA에어포트서비스(도쿄)가 하네다공항에서 사용하고 있는 ‘NV100 클리퍼 밴’에 이번 도장을 실시해, 도장의 효과 및 내구성 검증을 진행하고 있다.

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