전기 모터는 왜 우는가?

전동 모터의 웅웅거림은 두 가지 물리적 원인이 결합된 것입니다: 모터 내부의 자기력이 만들어내는 전자기 톤과 인버터의 고주파 스위칭 소음; 여기에 기어 감속기와 베어링의 기계적 기여가 더해집니다. 가속할수록 웅웅거림의 음높이가 올라가는데, 이는 이 톤들이 회전수에 비례하여 주파수가 이동하기 때문입니다. 제조사들은 이 소리를 확산 스펙트럼 스위칭, 능동 소음 제어, 사운드 디자인으로 부드럽게 하거나 의도적으로 다듬고 있습니다.

내연기관 자동차를 시동하면 소리의 근원은 명확합니다: 폭발, 배기, 기계적 움직임. 반면 전기차에 타면 익숙한 소음들의 대부분이 사라지고, 그 자리를 날카롭고 톤이 뚜렷하며 속도에 따라 급격히 높아지는 웅웅거림이 차지합니다. 이 소리는 너무나 특징적이어서 많은 사람이 모터 자체에서 나는 것으로 여깁니다. 부분적으로 맞는 말입니다; 하지만 이 이야기의 진짜 흥미로운 부분은, 소리의 상당 부분이 모터가 아니라 모터를 구동하는 파워 일렉트로닉스의 작품이라는 점입니다. 엔지니어링 관점에서 보면 이 웅웅거림은 사실 고장이 아니라 시스템이 올바르게 작동하고 있다는 청각적 증거입니다.

전기차의 웅웅거림은 어디에서 오는 걸까요?

웅웅거림의 원인은 세 가지 주요 항목으로 정리됩니다. 첫째는 전자기 소음입니다: 모터로 들어가는 전류가 로터와 스테이터 사이에 자기장을 형성합니다; 이 자기장은 에어갭에서 힘이 요동치게 만들고, 요동치는 힘들은 모터 본체를 진동시킵니다. 진동하는 모든 구조물은 소리를 냅니다. 이 소음의 특성은 일관되고 톤이 뚜렷한데, 그 이유는 주파수가 공급 전기 주파수와 그 배수, 즉 조화파에 의해 직접 결정되기 때문입니다.

두 번째 원인은 인버터입니다. 배터리의 직류를 모터에 맞는 교류로 변환하는 파워 일렉트로닉스는 트랜지스터를 매우 빠른 속도로 켜고 끄는 방식으로 작동합니다. 이 스위칭 과정은 스위칭 주파수와 그 배수 주변에서 소음을 발생시킵니다; 측정 결과 이 범위는 일반적으로 5-15 kHz 대역에 해당합니다. 우리의 귀는 바로 이 범위에서 가장 민감합니다 - 그렇기 때문에 전기차의 웅웅거림은 절대 음향 에너지가 낮음에도 불구하고 불쾌하게 느껴질 수 있습니다. 스위칭에서 비롯되는 힘의 요동은 동시에 구조적 진동을 만들어냅니다; 소리와 함께 느껴지는 미세한 질감을 더합니다. (이 미세한 질감은 사실 차실 내부로도 새어 들어갑니다: 세 가지 서로 다른 PWM 기법이 소음, 진동, 그리고 거칠음에 미치는 영향은 각각 측정 가능한 수준입니다.)

세 번째 항목은 기계적 소음입니다: 기어 감속기와 베어링. EV 모터는 내연기관과 달리 수만 rpm까지 회전할 수 있기 때문에 이 부품들은 매우 높은 회전수에서 돌아갑니다. 영구자석형 구동계에서 속도와 함께하는 부드러운 전자음의 원인은 대개 인버터의 스위칭 파형이 모터에 인가되는 것입니다; 일부 구동계에서는 잘 알려진 8차 전자기 톤이 들리고, 이는 가벼운 형태로는 완전히 정상입니다.

스위칭 주파수는 소리를 어떻게 결정할까요?

인버터의 음향 특성을 이해하려면 PWM - 펄스 폭 변조 - 의 논리를 살펴봐야 합니다. 트랜지스터는 고정된 주파수로 켜졌다 꺼지며, 매 사이클마다 켜져 있는 시간(듀티 사이클)을 조절하여 모터에 공급되는 평균 전압을 조정합니다. 귀에 들려오는 것은 바로 이 반복 동작입니다: 고정된 음높이의 전자적 성격을 지닌 지직거리는 소리. 많은 전기차에서 가속이 시작되기 전에 들리는 이 짧고 일정한 톤은 바로 PWM 회로의 정상 작동 소리입니다; 이후 차량이 가속하면서 톤이 높아집니다.

회전수에 따라 톤이 이동하는 것은 산술적 결과입니다. 모터에 인가되는 전기 주파수는 회전수에 비례하여 증가하고, 전자기력은 이 주파수의 고조파에서 진동합니다. 구체적인 예를 통해 살펴보겠습니다: 4500 rpm에서 24차 고조파는 1800 Hz에 해당합니다. 이러한 톤 성분은 에어갭의 자기력으로부터 톤 성분과 광대역 소음을 모두 발생시킵니다. 즉, 속도가 빨라질수록 들리는 소리의 음높이가 높아지는 것은 결함이 아니라 물리적 필연입니다.

스위칭 주파수를 고정할 것인가 가변할 것인가 사이에는 공학적 긴장 관계가 존재합니다. 고정 주파수는 전자파 간섭(EMI) 필터링을 예측 가능하게 만듭니다; 하지만 높은 음높이의 톤 성분을 지닌 불쾌한 소음이 항상 같은 지점에 머물게 만듭니다. 가변 스위칭 주파수 PWM 전략은 인버터의 스위칭 손실과 시스템 소음을 모두 줄이기 위해 사용됩니다. 이 균형은 여전히 활발히 개발 중인 분야입니다; 음질을 개선하기 위해 인버터 스위칭 주파수를 동적으로 제어하는 새로운 방법들이 최근 등록된 기술 솔루션들 사이에 포함되어 있습니다.

기어와 베어링: 기계음의 해부학

전기차의 변속기는 대개 단단 기어 방식이지만, 소음 측면에서는 결코 존재감이 없지 않습니다. 기어 소음의 주요 메커니즘은 두 가지입니다: 전달 오차와 기어 표면에서 발생하는 마찰 진동. 기어가 서로 맞물릴 때 금속-금속 접촉은 미세 규모의 편차와 결합하고, 그 결과로 생긴 진동은 감속기 하우징을 통해 실내로 전달됩니다. 오일은 이 접촉이 만드는 소리를 부분적으로 가려줍니다; 추운 날씨에는 오일 점도가 변하기 때문에 소리가 아침에 더 뚜렷하게 들리는 것도 이 때문에 놀라운 일이 아닙니다.

설계 측면에서 가장 효과적인 무기는 헬리컬 기어입니다. 평기어와 달리 헬리컬 기어는 단계적이고 연속적인 접촉을 이루며, 이 부드러운 전환 특성이 소음을 현저히 줄여줍니다; 전기차 변속기에서 소음을 줄이는 표준적인 방법 중 하나입니다.

베어링은 두 가지 이유로 소음의 일부가 됩니다. 기계적으로, 높은 음조의 윙윙거림의 원인은 모터 베어링이나 감속 기어 세트일 수 있습니다. 소음 수준의 증가나 특성 변화는 베어링 상태에 대한 좋은 초기 경고 지표입니다. 전기적으로, 인버터로 구동되는 모터에서 고주파 스위칭은 베어링 시트에 전기적 손상을 일으킬 수 있습니다. 즉, 이러한 부품은 소음의 원인이자 소음이 들려주는 이야기의 주제이기도 합니다. 부하 상태의 모터가 부하와 무관하게 내는 특유의 윙윙거림 소리도 이 기계적 기여에 포함됩니다. 냉각 팬의 소음은 모터 속도에 따라 달라지지만 부하와는 무관합니다.

모터 유형이 소음 특성을 바꾸나요?

짧은 답: 예, 측정 가능한 수준입니다. 영구자석 동기 모터의 로터 자기장은 고정자 인덕턴스가 아닌 자석에 기반하여 이미 구축되어 있습니다. 이는 더 높은 효율과 토크 밀도를 제공합니다. 토크 사이클의 변동 없이 일정한 토크를 생성할 수 있기 때문에 이 모터들은 매우 조용하고 낮은 진동으로 설계될 수 있습니다. 반면 영구자석 모터는 인버터와 함께 작동해야 합니다. 즉, 스위칭 소음이 항상 회로에 존재합니다. 이 모터에서 진동과 소음의 두 가지 주요 원인은 전자적 요인과 기계적 요인입니다. 극과 슬롯의 조합, 즉 로터 극수와 고정자 슬롯 수의 일치가 NVH 연구의 초점입니다.

비동기 모터는 유도 방식으로 로터 자기장을 생성합니다. 일반적으로 더 크고, 더 무겁고, 효율은 낮지만 비용이 낮습니다. 소음 특성도 이에 따라 다릅니다. 슬립 주파수에 따른 추가 구성 요소가 들릴 수 있습니다. 모터 설계가 소음에 미치는 영향은 모터 유형에만 국한되지 않습니다. 로터 경사, 고정자 및 로터 슬롯 형상, 슬롯 개구 폭과 같은 설계 파라미터는 공극의 힘 파형의 형태를 직접 결정하며 소음 감소의 고전적인 방법으로 꼽힙니다.

스프레드 스펙트럼: 소음을 분산시키는 기술

스위칭으로 인한 톤 소음의 가장 우아한 해결책 중 하나는 이론적 기초가 1992년 으로 거슬러 올라가는 스프레드 스펙트럼 스위칭 기법입니다. 논리는 간단합니다. 인버터의 스위칭 주파수를 의도적으로 좁은 대역 내에서 변조합니다. 좁은 주파수 대역에 집중된 소음 에너지가 더 넓은 스펙트럼으로 분산되어 단일 주파수의 피크 에너지가 감소합니다. 인간의 귀는 날카로운 톤을 훨씬 더 불쾌하게 인식합니다. 반면 넓은 대역의 부드러운 웅웅거림은 쉽게 견딥니다. 이 기술은 스위칭 전원 공급 장치에서 EMI 감소에도 입증되었습니다. 출력의 가청 소음을 제거하고 입력에서 크게 줄일 수 있습니다.

이 기술이 EV 세계에서 차지하는 비중이 커지고 있습니다. 전기차의 고전압과 높은 칩 밀도는 시스템을 전자파 간섭에 특히 민감하게 만듭니다. 이 민감도를 감지하고 줄이기 위한 스마트 센서 기술도 개발되어 있는 상태입니다. 스위칭 주파수를 동적으로 제어하는 음질 방식은 스프레드 스펙트럼과 같은 철학의 연장선입니다: 고정되고 예측 가능한 톤 대신, 스펙트럼에 퍼지거나 동적으로 배치되는 소음.

능동 소음 저감과 의도적인 사운드 디자인

소리를 완전히 없애려는 기술도 있습니다. 능동 소음 저감의 원리는 고전적입니다: 소음원과 동일 진폭이지만 반대 위상의 음파를 생성하여 두 파동이 서로를 상쇄하게 합니다. 전기차에서 이 방식의 역할은 내연기관 차량과 다릅니다. 고전적인 엔진 소음은 이미 없고; 전기 모터의 고주파 소음의 음향 에너지는 상대적으로 낮습니다. 그래서 현대적인 시스템은 실내로 들어오는 도로, 바람, 타이어 소음을 지속적으로 모니터링하며 상쇄파를 생성합니다. 많은 제조사가 이 분야에서 패키지 솔루션을 제공하고 있습니다; 일부 모델에서는 능동 사운드 디자인이 소음을 억제하는 데 그치지 않고 실내에 의도적인 음향 캐릭터도 더합니다.

그렇다면 바깥의 소리는? 전기 모터의 소음이 낮기 때문에, 저속에서는 보행자가 차량의 존재를 들을 수 없을 수 있습니다. 이 때문에 하이브리드 및 전기차의 존재를 보행자에게 알리기 위해 설계된 인공 경고음인 AVAS가 표준이 되었습니다: 저속에서 스피커로 생성되는, 공기의 흐름을 연상시키는 호버링 소리입니다. EU는 이 소리를 2014년에 의무화하는 결정을 내렸습니다; 미국에서도 특정 속도 이하에서는 인공 소리가 의무입니다. 사운드 디자인은 이 안전 의무를 사용자 경험과 결합하는 분야로 발전하고 있습니다 - 모든 브랜드가 자신만의 음향 서명을 만들 기회도 여기서 찾습니다.

울림은 언제 정상이고, 언제 문제인가?

대략적인 규칙이 있습니다: 속도를 따라가는 매끄럽고 음조가 있는 울림은 정상입니다. 가속할수록 높아지는 톤은 전자기 고조파의 자연스러운 주파수 이동입니다; 고정된 음높이의 전자적 웅웅거림은 인버터의 작동 소리입니다. 아래의 경우에는 점검이 필요합니다:

• 울림이 새로 나타났거나 이전보다 뚜렷하게 커졌을 때,
• 소리에 진동이나 출력 저하가 동반될 때,
• 소리의 특성이 속도와 부하에 따라 예상치 못하게 변할 때.

이러한 증상은 기계적인 부분 - 특히 베어링과 감속 기어 그룹 - 을 가리킵니다. 소음 수준은 베어링 상태를 모니터링하는 실용적이고 비용이 들지 않는 방법입니다; 소리가 변했을 때 점검을 받으면 고장이 커지기 전에 대응할 기회를 얻습니다.

윙 소리는 결함이 아니라 설계의 영역이다

전기 모터의 윙 소리는 단일 부품의 오류가 아니다. 전자기력, 인버터 스위칭, 기어 및 베어링의 기여가 겹쳐진 결과이다. 엔지니어링 쪽에서 이루어지는 모든 진전 - 스펙트럼 확산, 가변 스위칭 주파수, 헬리컬 기어, 능동 소음 제어 - 은 이 소리가 실내에서 느껴지는 압력을 줄이거나 의도적으로 그 형태를 다듬고 있다. 다음에 타는 전기차에서 들리는 톤에 귀 기울일 때, 이제 무엇을 듣고 있는지 알 것이다: 모터가 아니라 시스템 전체의 청각적 서명이다.

참고 자료

• EV 모터 소음, 윙 소리 및 과열: 원인과 해결책
• 전기차 NVH
• 전기차용 인버터의 소음 및 진동 특성
• 전기차의 음질 향상을 위한 새로운 인버터 스위칭 제어 방식
• 인버터 가청 소음: 전기차의 PWM 전략, 자왜 및 실내 지각
• 전기 모터의 작동 소음 이해하기
• 전기 모터의 소음: 종합 고찰
• 전기차 소음 저감 대응하기
• 전기차 변속기의 소음 저감 기술
• PWM 인버터 구동용 저소음 변조 기술
• 스펙트럼 확산 구현의 장단점
• 연구진, 전기차 보호 기술 개발 (EVs)
• 능동 음향 관리
• EV6 & EV9에 적용된 소음 설계 (Noise Design)
• 차량 전동화와 능동 소음 제거
• 전기차 경고음
• 유도 전동기 대 영구자석 전동기
• 소음이 당신의 전기 모터에 대해 말해주는 것은?