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전기자동차의 핵심 기술 중 하나인 전기모터는 전기에너지를 기계 에너지로 변환하여 회전력을 발생시키는 역할을 한다. 전기자동차에서 가장 많이 사용하는 전기모터는 영구자석형 동기 모터 (PMSM : permanent magnet synchronous motor)이다. 구조는 크게 고정자와 회전자로 구분되어 있으며, 고정자는 코일이 감겨 있고 회전자는 자석으로 구성되어 있다. 코일에 전기가 흐르면 전자석이 되고, 전자석과 회전자의 자석 사이에 밀고 당기는 힘이 작용하여 회전자는 회전한다.

보통 영구자석형 동기 모터는 아래 왼쪽 그림과 같이 회전자가 고정자의 안쪽에서 회전한다. (회전자가 고정자의 바깥쪽에서 회전하는 경우도 있다.) 이를 방사형 자속 (radial-flux) 방식이라 부르며, 대부분 전기자동차의 모터는 방사형 자속 방식이다.

최근 영국의 모터 회사 YASA (Yokeless And Segmented Armature)와 벨기에의 모터 회사 MAGNAX에서 축방향 자속 (axial-flux) 방식의 모터를 설계하고 있으며, 향후 전기차에 적용 계획으로 알려졌다. 르노 역시 Whylot이라는 전기 모터 회사의 지분을 인수하여 축방향 자속 모터 개발에 집중 투자할 계획을 밝혔다. 축방향 자속 (axial-flux) 방식의 모터는 위의 그림 오른쪽과 같은 형태이다.

특히 YASA는 2021년 메르세데스 벤츠에 인수되어, 고성능 전기차로 출시될 AMG.EA 전기차 전용 플랫폼에 축방향 자속 방식의 모터를 적용 계획이다. YASA는 현재 160kW와 200kW 급 모터 라인업을 보유하고 있으며, 향후 메르세데스 벤츠와 함께 다양한 라인업을 선보일 예정이다.

벨기에의 MAGNAX 역시 축방향 자속 모터를 개발하고 있으며, 고정자의 양쪽에 두 세트의 회전자를 배치한다.

BMW i3에 사용된 방사형 전기 모터는 125kW / 250Nm / 46kg의 스펙을 가진 반면, MAGNAX에서 개발한 축방향 자속 모터는 200kW / 250Nm / 16kg으로 전력 밀도가 훨씬 높다. 이렇게 전력 밀도가 높아지는 이유는 고정자 요크가 삭제되어 중량이 상당히 절감된다. 또한, 철손을 줄여 효율을 향상시킨다.

축방향 자속 모터는 고정자의 한쪽에만 자석을 배치하는 것이 아니라 양면에 자석을 배치하여 자속 손실 또한 줄여 준다. 기존의 방사형 전기 모터의 평균 효율은 90% 미만이지만, 축방향 자속 모터의 평균 효율은 91~96% 정도로 예상된다.

반면, 축방향 자속 모터가 성능은 뛰어나지만 개발하는데 많은 어려움이 뒤따른다. 먼저 고정자 요크가 없기 때문에 강도가 떨어질 수 있다. 따라서 고정자를 단단히 고정시킬 수 있는 높은 강도를 가진 고정자를 설계해야 한다. 또한, 고정자 권선이 회전자 자석에 의해 감싸져있기 때문에 열을 발산하기가 어렵다. 축방향 자속 모터는 열을 잘 발산시킬 수 있는 냉각 설계에 많은 신경을 써야 한다.
축방향 자속 모터는 고성능 전기차뿐만 아니라 인휠 모터에 적용하기에도 좋다. 인휠모터는 중량이 작고 전력 밀도가 높아야 하기 때문이다.

향후 축방향 자속 모터가 안정적으로 양산되면 전기차 시스템의 효율을 높일 수 있고, 전기차의 중량 절감에도 큰 영향을 미칠 것으로 보고 있다. 따라서 축방향 모터가 전기 시장에 어떠한 영향을 미칠 것인지 주목해 볼 필요가 있다.

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엠에스리

lagrange0115@encar.com

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