전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2605호 (p43-47)

제2부: 초전도 모터
도요타와 에어버스, 초전도로 ‘궁극의 모터’ 개발
수소 항공기와 수소 엔진 차량에 탑재 목표

초전도 모터의 연구개발이 가속되고 있다. 고온 초전도 선재를 사용함으로써 기존 기술로는 구현하기 어려운 소형·고출력을 실현할 수 있기 때문이다. 이 때문에 ‘궁극의 모터’로 평가받는다. 각 기업은 연비와 항속거리의 획기적인 개선을 기대하며, 수소 항공기와 수소 자동차 등을 대상으로 실용화 검증에 주력하고 있다.

초전도 모터 개발이 크게 진전되기 시작했다. 도시바에너지시스템즈(가와사키시)와 유럽의 에어버스는 2030년대에 수소 연료 항공기 탑재를 목표로 개발을 추진하고 있으며, 도요타자동차는 수소 엔진 차량에 탑재 가능성을 모색하고 있다. 각 사는 연비와 항속거리의 획기적인 개선으로 이어질 것으로 보고, 실용화 검증을 본격화하기 시작했다.

도시바에너지시스템즈는 항공기의 전동화에 필요한 2MW급 초전도 모터를 목표로 제2호 시제품을 개발 중이다. 앞으로 초전도 모터 도입을 검토 중인 에어버스와 긴밀히 협력해 시제품 개발을 거듭하며 실용화를 추진할 계획이다. 도요타는 개발 중인 수소 엔진 차량 ‘GR 코롤라’에서 연료를 공급하는 펌프에 초전도 모터를 채택하고 있다.

-- 탈탄소가 보급 확대에 순풍 --
초전도 모터는 회전자와 고정자의 권선에 고온 초전도 선재를 사용하는 모터를 말한다. 영하 196℃ 부근까지 냉각해야 하지만, 권선의 전기저항이 0이 되므로 대전류로 구동할 수 있다. 일반적인 상전도 선재를 사용하는 산업용 모터와 비교하면 출력 밀도를 약 10배까지 높일 수 있다.

보급에 순풍으로 작용하는 것은 수소를 연료로 사용하는 차세대 모빌리티와의 궁합이 좋다는 점이다. 수소를 연료로 하는 차세대 항공기와 수소 엔진 차량에는 영하 253℃의 액체 수소가 사용되는데, 이를 초전도 선재의 냉각에 활용할 수 있다. 탈탄소 사회 실현을 위해 차세대 항공기와 수소 엔진 차량 개발을 추진하는 흐름과 맞물려, 초전도 모터의 기술적 성숙도가 높아질 것으로 기대된다.

-- 2MW급 실현 위해 시제품 개발 지속 --
도시바에너지시스템즈는 항공기의 전동화 기준이 되는 출력 2MW급 실현을 목표로 초전도 모터 2호기를 개발 중이다. 시제품 1호기는 2022년에 이미 공개됐으며, 2호기에서는 경량화와 출력 밀도 향상을 목표로 한다. 출력 밀도는 1호기의 5.3kW/kg에 비해 2호기에서는 이미 7kW/kg를 확인했다. 앞으로 필요한 성능에 대해 에어버스와 검토를 이어갈 예정이다.

도시바에너지시스템즈가 개발 중인 초전도 모터는 이른바 동기 모터의 일종이다. 전원의 주파수에 따라 결정되는 동기 속도로 회전한다. 고정자와 회전자로 구성되는 구조 자체는 기존 산업용 모터와 크게 다르지 않다. 전기자 코일은 일반적인 상전도 코일이지만, 회전자 측의 계자 코일에는 고온 초전도 선재를 사용한다. 동작 시 전기자 측에 3상 교류를 흐르게 하여 회전자기장을 발생시키고, 이를 이용해 회전자를 회전시킨다.

1호기의 시험에서는 등가법이라 불리는 방법을 사용해 발전기로서 구동하면서 성능을 평가했다. 최대 2MW급 출력과 분당 7200회전을 달성할 수 있을 것으로 전망했다.

2호기에서는 설계를 최적화해 경량화하고 출력 밀도를 높인다. 회전자 재료의 변경을 통해서도 추가적인 경량화를 기대할 수 있다.

도시바에너지시스템즈 기술고문(에너지시스템기술개발센터 원자력시스템·양자응용기술개발부)인 도사카(戸坂) 씨는 “약 30년 전에 수행했던 초전도 발전기 개발 프로젝트가 간접적으로 도움이 되고 있다”라고 말했다. 초전도 발전기 개발을 통해 저온 메커니즘과 초전도 코일에 관한 지식을 축적해 왔다. 초전도 발전기와 동기 모터는 발전기 구조가 거의 동일해 공유할 수 있는 기술 요소가 많다고 한다.

개발 과정에서는 다양한 기술적 개선이 이루어졌지만, 특징적인 것은 회전자 측의 구조이다. 1호기의 회전자는 회전축과 일체화한 단열관 구조로 설계해, 회전자에 부착된 초전도 코일을 냉각하기 위한 냉매를 축을 통해 주입할 수 있게 했다.

회전축에는 냉매인 헬륨가스를 공급하고 회수할 수 있는 공간을 마련했다. 헬륨가스는 연료 탱크 내부의 액체 수소와 열교환을 통해 약 20K(켈빈, 영하 253℃)까지 냉각된다. 냉각에 사용한 헬륨은 회전축의 다른 통로를 통해 회수한 뒤 다시 열교환에 보낸다.

-- ‘전(全) 초전도’로 출력 밀도 더욱 향상 --
규슈대학교 교수이자 첨단전기추진비행체연구센터장인 이와쿠마(岩熊) 교수 연구팀은 ‘전(全) 초전도 모터’를 개발 중이다. 회전자 측 계자 코일뿐 아니라 고정자 측 전기자 코일에도 고온 초전도 선재를 사용한다. 또한 발전기에서 초전도 모터로 전력을 공급하는 데에도 초전도 케이블을 사용한다. 이를 통해 출력과 출력 밀도의 대폭적인 개선을 목표로 한다.

이미 400kW급 전 초전도 모터의 동작을 실증했다. 2026년도에는 출력 2MW급 모터를 시제품으로 제작해 회전 시험을 실시할 계획이다. 이를 항공기 양쪽 날개에 각각 5기씩 탑재해, 총 20MW의 출력을 목표로 한다. 200명 정도 탑승할 수 있는 기체라면 이 정도 출력으로 비행할 수 있다고 한다.

이와쿠마 교수 연구팀이 개발하는 초전도 모터도 동기 모터이다. 다만 3상 교류를 흘리는 전기자 측 고온 초전도 선재에서는 교류 손실이 발생해 모터 출력이 저하되는 문제가 있다. 연구팀은 전기자 코일의 고온 초전도 선재의 권선 방식을 개선함으로써 교류 손실을 기존 대비 4분의 1로 줄이는 데 성공했다.

테이프 형태의 재료인 고온 초전도 선재에서 발생하는 교류 손실을 평가할 수 있는 이론 모델을 구축했다. 이를 기반으로 한 전자기장 해석을 통해 고온 초전도 선재의 최적 권선 방법을 도출했다. 이론 분석에 따르면 교류 손실을 기존 대비 약 8분의 1까지 억제할 수 있을 것으로 추정되며, 이 수치를 달성하기 위해 권선 방식을 최적화할 계획이다.

이와쿠마 교수는 전 초전도 모터가 “수소 항공기에 안성맞춤이다”라고 평가한다. 항공기는 안전상 높은 전압을 다루기 어렵기 때문에 발전기 출력을 높이려면 전류를 많이 흘릴 수밖에 없다. 전 초전도 모터는 발전기에서 효율적으로 전류를 모터에 공급할 수 있어 비행에 필요한 동력을 확보할 수 있다.

모터의 경량화에도 기술적 개선을 하였다. 개발 중인 전 초전도 모터의 회전자와 고정자의 구조체에는 금속이 아니라 각각 탄소섬유 수지와 유리섬유 수지 소재를 채택했다.

-- 권선을 ‘실뜨기’ 형태로 --
교토대학 대학원 공학연구과 나카무라(中村) 교수 연구팀은 구조가 더 단순하면서도 다양한 용도로 사용할 수 있는 초전도 모터를 개발 중이다. ‘실뜨기 권선’이라고 부르는 출력이 뛰어난 방식의 초전도 모터를 2025년에 개발했다. 실용화에 필요한 제조 기술 등을 2027년까지 확립하는 것이 목표다.

이 초전도 모터는 권선 배치가 독특하며, 마치 ‘실뜨기’와 같은 복잡한 형태를 하고 있다. 기존에 개발해 온 것은 ‘케이지형’이라고 불리는 초전도 모터로, 산업용으로 보급되는 유도 모터와 구조가 유사하다. 실뜨기 권선형은 이러한 케이지형을 한 단계 발전시킨 형태라고 할 수 있다.

초전도 모터를 케이지형으로 구현할 경우, 납땜 접속부가 많다는 단점이 있다. 고온 초전도 선재는 테이프 형태이기 때문에 회전자의 케이지를 만들 때 직각으로 꺾이는 부분을 납땜으로 연결한다. 그 결과, 선재들을 연결하는 부분에서는 “납을 여러 겹으로 겹쳐 전류의 방향을 바꾸기 때문에 저항이 높아져 발열한다”(나카무라 교수). 저항이 높아지면 교류 손실도 커져 모터 출력이 저하된다.

이에 실뜨기 권선형은 납땜 연결을 줄이고 모터 출력을 높이기 위해 초전도 선재의 배선 형태에 독자적인 공법을 적용했다. 실뜨기 권선형은 겉으로 보기에는 매우 복잡하지만, 케이지형과 동등한 배선 구조를 갖는다. 교류가 흐를 때 정확히 위상이 반대가 되는 회전자의 위치를 하나의 쌍으로 간주하고, 이를 하나의 고온 초전도 선재로 연결한다. 이렇게 하면 실뜨기 권선형에는 케이지형과 동일하게 전류가 흐르기 때문에 복잡한 배선임에도 원활히 구동된다.

이미 출력 1.5kW의 케이지형 초전도 모터를 개조한 실뜨기 권선형 초전도 모터를 시제품으로 제작했다. 분당 1200회전 시험을 실시한 결과, 출력이 2.8kW로 향상되었다. 앞으로는 실뜨기 권선의 배치 등을 최적화해 출력을 한층 높일 계획이다.

나카무라 교수 연구팀은 케이지형 초전도 모터도 여러 기업과 공동 개발 중이다. 아이신의 자회사인 이무라 재팬(아이치현)과는 20kW급 고온 초전도 모터를 공동 개발해 동작을 실증했다. 항공기와 자동차의 동력에 적용하는 것을 목표로 한다. 도리시마제작소와는 액체 수소의 수송용 펌프를 공동 개발해 2024년에 제품화했다.

수소 엔진 차량도 유망한 응용 분야다. 나카무라 교수 연구팀의 케이지형 초전도 모터는 도요타가 개발 중인 수소 엔진 차량, GR 코롤라의 연료탱크 내부에 사용되었다. 연료를 끌어올리는 펌프에 초전도 모터를 사용함으로써 모터를 연료 탱크 내부에 설치할 수 있도록 하여, 220리터였던 탱크 용량을 300리터로 늘렸다. 이에 따라 GR 코롤라의 주행거리는 약 1.3배 증가한 것으로 보인다.

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