전기자동차 모터 선택: 동기, 비동기 및 영구자석형

전기차에 사용되는 동기, 비동기 및 영구자석 모터 유형 간의 효율, 비용 및 토크 제어 측면의 공학적 비교.
전기차에 사용되는 동기, 비동기 및 영구자석 모터 유형 간의 효율, 비용 및 토크 제어 측면의 공학적 비교.

이 페이지 공유하기

전기 자동차에는 세 가지 주요 모터 유형이 사용됩니다: 영구자석 동기 모터(PMSM), 유도(비동기) 모터, 그리고 외부 계자 동기 모터(EESM)입니다. PMSM은 가장 높은 효율과 출력 밀도를 제공하고, 비동기 모터는 견고성과 무자석 특성이, EESM은 정밀한 토크 제어가 강점입니다. 선택은 효율, 비용, 그리고 희토류 의존성 사이에서 이루어지는 엔지니어링 판단입니다.

주요 요점

  • PMSM 최대 효율 95-97%; 비동기 모터는 90-93% 범위에서 작동합니다.
  • 5-7%로 보이는 효율 차이는 배터리 크기에 반영되면 비용 차이를 키웁니다.
  • 현대식 전기차에서 가장 널리 사용되는 모터는 영구자석 동기 모터입니다.
  • Tesla Model 3와 Model Y에는 릴럭턴스 토크와 자석 토크를 결합한 하이브리드 설계가 사용됩니다.
  • 제조사들은 희토류 금속 사용을 줄이는 모터 대안을 빠르게 개발하고 있습니다.

모터의 물리학: 회전 자기장은 어떻게 토크를 만드는가?

모든 구동 모터는 동일한 물리적 원리에 기반합니다. 전류가 흐르는 도체는 자기장을 생성합니다. 이 자기장의 변화는 근처 도체에 새로운 전류를 유도합니다. 회전하는 부분에 작용하는 로렌츠 힘은 자기장과 운동 방향에 수직으로 작용하여 로터를 회전시킵니다. 모터 유형 간의 차이는 이 자기장이 어디서 오는지, 그리고 로터가 회전 자기장과 어떻게 상호작용하는지에 있습니다.

모든 모터에는 두 가지 기본 구성 요소가 있습니다. 고정되어 있고 3상 교류로 전원이 공급되는 스테이터 와 회전하는 로터입니다. 스테이터는 인버터가 결정하는 주파수를 가진 회전 자기장을 생성합니다. 로터가 이 자기장과 동기하는지, 아니면 약간 뒤처지는지가 모터의 등급을 결정합니다.

비동기(유도) 모터: 견고하고 저렴하며 자석이 없는

비동기 모터의 로터는 철판 내부에 매립된 알루미늄 또는 구리 봉으로 이루어진 "농형(스퀴럴 케이지)" 구조입니다. 스테이터의 회전 자기장은 로터 봉에 전압과 전류를 유도하며, 이 전류가 만드는 자체 자기장이 스테이터 자기장과 상호작용하여 토크를 생성합니다. 로터는 회전 자기장을 절대 따라잡지 못합니다. 회전수가 항상 약간 낮으며, 이 차이를 슬립 (slippage)이라고 합니다. 슬립이 없으면 유도도, 토크도 존재하지 않습니다.

이 구조의 강점은 분명합니다. 영구자석이 없고, 슬립 링 접촉이 없으므로 유지보수 필요성이 낮고 생산 비용이 합리적입니다. 모터가 견고합니다. 반면 효율은 특히 부분 부하와 저속에서 동기 설계에 뒤처집니다. 로터에 전류를 유도하는 것은 지속적인 손실을 의미합니다. 속도 제어도 정밀도가 떨어지며, 모터 제어를 위해서는 반드시 주파수 변환기가 필요합니다.

Tesla의 초기 Model S 와 Model X 모델은 비동기 모터로 잘 알려져 있습니다. 일부 초기 버전에서는 전륜 축에 비동기 모터, 후륜 축에 영구자석 모터가 사용되었습니다. 업계 전반적으로는 구리 가격 상승과 효율 격차로 인해 비동기 모터의 비중이 느리지만 꾸준히 동기 설계로 이전되고 있습니다.

동기 모터: 로터가 자기장과 함께 회전

Senkron motorlarda rotor, statorun manyetik alanıyla eşzamanlı döner; PMSM tasarımları yüksek verimleriyle modern elektrikli otomobillerin tercih edilen çözümüdür.

동기 모터에서 로터는 스테이터의 회전 자계와 같은 속도로 회전하며, 모터의 회전수는 스테이터 전류의 주파수에 직접 좌우됩니다. 이러한 동기화는 높은 효율, 높은 출력 밀도, 정밀한 속도 제어 및 우수한 동적 특성을 제공합니다. VW의 MEB 플랫폼과 Audi, Škoda, Porsche Taycan 같은 모델은 동기 모터 계열에서 공급됩니다. 그러나 "동기"는 단일한 설계가 아니며, 자계를 어디에서 얻는지에 따라 두 가지로 나뉩니다.

영구자석 동기 모터(PMSM): 왜 지배적인 기술인가?

PMSM에서는 로터에 매입된 영구자석이 외부 여기 없이도 일정하고 강력한 자계를 생성합니다. 로터 전류를 유도할 필요가 없기 때문에 효율 잠재력이 높으며, 최고 효율은 보고된 범위인 93-95%에서 95-98% 사이에 해당합니다. 수치가 다른 것은 측정 및 정의의 차이에서 비롯됩니다. 어떤 속도와 부하 지점을 "최고"로 간주할지는 제조사마다 다릅니다. 진정으로 중요한 것은 최고 수치가 아니라, 일반적인 차량 사용 조건의 대부분에서 PMSM이 높은 효율 영역을 유지할 수 있다는 점입니다. 낮은 속도와 중간 속도에서 효율과 출력 밀도 모두 뚜렷하게 앞섭니다.

비용의 대가도 있습니다. 희토류 자석은 PMSM의 주요 비용 요소입니다. 또한 고온에서 탈자 위험이 있어 열 관리가 설계에서 중요한 사안입니다. BMW i3, VW ID.3과 ID.4, 최신 Nissan Leaf 모델이 PMSM을 사용하는 대표적인 사례입니다.

내장형 영구자석(IPM) 설계: 왜 자석이 로터 안에 있나?

IPM 모터에서는 자석이 로터 표면이 아니라 로터 내부에 매입됩니다. 이 배치는 자속을 더 효과적으로 활용하게 하고, 출력 밀도를 높이며, 사용 가능한 속도 범위를 넓히고, 탈자에 대한 민감도를 낮춥니다. 그 대가로 로터 생산이 복잡합니다. Porsche Taycan의 후륜 액슬과 Audi e-tron GT 가 이 설계의 양산 차량 적용 사례입니다.

외부 여기 동기 모터(EESM): 자석 없는 동기 방식

EESM에서는 로터의 자계가 영구자석 대신 별도의 권선과 추가 전원으로 생성됩니다. 이는 엔지니어에게 큰 설계 여지를 줍니다. 로터 자계의 세기를 운전 조건에 따라 조절할 수 있고, 토크-속도 제어가 매우 우수하며, 약계자(field weakening) 영역에서 넓은 속도 범위를 얻을 수 있습니다. 효율은 PMSM보다 다소 낮고 설계가 더 복잡하며, 전통적인 방식에서는 슬립 링이나 브러시가 필요합니다. 희토류 의존도를 없애기 때문에 오늘날 다시 주목받는 아키텍처입니다.

릴럭턴스 모터: 권선 없는, 자석 없는 로터

릴럭턴스 모터에서 토크는 훨씬 더 기본적인 성질에서 비롯됩니다. 자속은 항상 최소의 자기 저항(릴럭턴스)을 따르는 경로를 선택합니다. 로터는 이 저항이 낮은 위치로 회전하려 하며, 이때 토크가 발생합니다. 로터에는 권선도 자석도 없으므로 희토류도 로터 손실도 존재하지 않습니다. 두 가지 주요 유형이 있습니다. 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)와 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)입니다.

비용은 제어 측에 있습니다: 제어 전자장치가 복잡하고 SRM에서는 소음과 토크 변동이 뚜렷합니다. 그럼에도 불구하고 비용과 지속가능성의 이점이 상당하며, 제어 전자기술이 발전함에 따라 이러한 모터의 보급이 확대될 것으로 기대됩니다. 한 학술 검토는 SRM의 낮은 무게, 높은 신뢰성, 결함 허용성이 EV에 적합하다고 강조합니다.

현장에서 가장 흥미로운 적용 사례는 하이브리드 방식입니다: Tesla Model 3 와 Model Y에서는 영구자석 토크와 릴럭턴스 토크를 결합합니다. Hyundai Kona Electric 역시 릴럭턴스 기술에 기반합니다. 릴럭턴스와 내극 자석을 결합한 SRIPM 설계는 PMSM보다 적은 자석을 사용하여 비용과 희토류 의존도를 낮춥니다. PMSM은 최고 효율과 고속 영역에서 앞서지만, SRIPM은 다양한 작동 조건에서 균형 잡히고 견고하며 비용 효율적입니다.

효율과 성능: 수치로 비교하기

효율 수치만으로는 오해를 부를 수 있습니다. 진짜 질문은 모터가 차량의 실제 사용 프로파일인 저속-중속 영역에서 얼마나 효율적인가입니다. 아래 표는 세 가지 주요 모터 유형의 특성을 요약합니다.

특성유도(비동기) 전동기PMSMEESM
최고 효율90-93% (일부 측정에서는 90-95%)93-98%, 일반적으로 95-97%PMSM보다 약간 낮음
회전자 자계원유도 전류영구자석외부 권선
희토류불필요필요 (네오디뮴, 디스프로슘)불필요
견고성 / 유지보수매우 견고하고 유지보수 적음양호; 온도 민감성 존재복잡한 설계
약점부분 부하에서 효율 저하비용, 타자(탈자) 위험복잡한 설계, 슬립 링

수치의 규모를 올바르게 짚어둘 필요가 있습니다: 5-7%로 보이는 효율 차이는 동일한 주행거리를 유지하기 위해 필요한 배터리 크기에 반영되면 커집니다. PMSM이 이를 얼마나 잘 수행하는지 구체적인 예가 보여줍니다 - Model 3의 자석-릴럭턴스 하이브리드 모터는 75 kWh 배터리로 100 kWh 용량의 Model S 100D에 상응하는 주행거리를 제공했습니다. 반면 유도 전동기에도 고유한 효율 역할이 있습니다: AWD Model 3의 전륜 액슬에 있는 유도 전동기는 구동이 필요 없을 때 사실상 전기를 소모하지 않고 자유롭게 회전할 수 있어, 4륜 구동 차량에 놀라운 주행거리 이점을 부여합니다.

희토류 의존도: 업계를 다시 그리는 문제

PMSM의 시장 지배력은 소재 지리와 얽혀 있습니다. 희토류 원소의 공급은 크게 한 국가에 집중되어 있으며, 이러한 의존도가 제조업체들을 두 방향으로 움직이게 했습니다. IEEE Spectrum이 정리한 첫 번째 접근법은 희토류를 포함하지 않는 영구자석(예: 철 기반 대안)을 개발하는 것이고, 두 번째는 자석이 전혀 없는 모터 유형 - 유도식 또는 릴럭턴스식 - 으로 방향을 전환하는 것입니다.

사례들은 인상적입니다: Tesla는 2017년에 희토류 기반 모터로 전환했지만, 신세대 모터 역시 희토류 없이 설계될 것이라고 발표했습니다. Toyota는 공급 부족 우려로 최대 50%까지 더 적은 희토류 금속을 함유한 모터를 개발하고 있습니다. 인도는 중국의 수출 제한에 대응해 영구자석 대신 조밀하게 감은 금속 코일로 자기력을 발생시키는 고밀도 릴럭턴스 모터의 테스트를 가속화했습니다. 흥미로운 점은, 효율과 소재 비용 사이의 이런 긴장 속에서도 시장이 영구자석 모터에 대한 투자를 지속한다는 것입니다: 높은 출력 및 토크 밀도는 당분간 비용을 상쇄할 만큼 가치가 있기 때문입니다.

인버터와 파워 일렉트로닉스: 모터의 특성을 실제로 결정하는 것은 무엇일까?

배터리는 직류(DC)를 공급하고, 구동 모터는 교류(AC)로 구동됩니다. 그 사이의 변환은 인버터가 담당하며, PWM(펄스 폭 변조)을 통해 매끄러운 AC 출력이 생성되고 모터의 효율적인 작동은 이 출력의 품질에 좌우됩니다. 인버터의 모든 발전은 직접적으로 주행거리, 성능, 비용에 반영됩니다. 주행 중 들리는 높은 주파수의 끼릿거리는 소리도 바로 이 고주파 스위칭에서 비롯됩니다.

인버터는 또한 다중 모터 차량에서 토크 벡터링을 가능하게 합니다: 각 모터는 별도의 인버터로 제어되며 토크가 액슬 간에 정밀하게 분배됩니다. SiC(탄화규소) 및 GaN(질화갈륨) 기반 파워 일렉트로닉스는 더 높은 스위칭 주파수, 더 낮은 손실, 더 높은 효율을 제공합니다. 한편 고전압 아키텍처는 모터 측면에서도 대가가 있습니다: 800 V 이상에서 작동하는 모터는 부분 방전에 더 취약하며, 이는 권선 절연에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 업계의 방향은 통합입니다 - 헤어핀 권선, 유랭 냉각, 그리고 모터, 변속기, 파워 일렉트로닉스를 하나의 유닛으로 결합하는 통합 구동 유닛입니다.

어떤 모터를 어떤 차량에: 선택 기준은 어떻게 정해질까?

모터 선택은 단일한 "최고"를 찾는 것이 아니라 우선순위를 정하는 문제입니다:

  • 주행거리와 효율이 우선인 차량: PMSM 또는 IPM; 중저속 영역에서의 뛰어난 효율이 배터리 비용을 상쇄합니다.
  • 성능과 정밀 제어가 우선인 차량: 동기기 계열; 높은 출력 밀도와 우수한 동특성이 결정적 요소입니다.
  • 멀티모터 AWD 차량: 후륜 축에는 영구자석형, 전륜 축에는 유도전동기의 조합; 중저속에서는 영구자석 모터로부터 효율을, 사용하지 않는 유도전동기로부터는 거의 0에 가까운 항력을 얻습니다.
  • 공급망 리스크를 지닌 제조사: EESM 또는 릴럭턴스 중심의 설계; 희토류 의존도를 없애줍니다.

결론은 명확한 엔지니어링의 균형입니다: PMSM은 오늘날 효율과 소형화의 정점에 있어 지배적이고, 유도전동기는 견고성과 자석 불필요성 덕분에 특정 역할에서 계속 살아남고 있으며, EESM과 릴럭턴스 설계는 성능과 공급 안정성이라는 두 가지 이유로 부상하고 있습니다. 전기차의 주행거리 지표를 볼 때 모터의 종류를 묻는 것은 배터리 용량을 묻는 것만큼 의미가 있습니다.

참고 자료