쌍모터 EV의 논리: 앞바퀴에 영구자석 모터, 뒷바퀴에 유도전동기를 사용하는 이유는?
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쌍모터 전기차에서 전륜과 후륜에 서로 다른 모터 타입을 사용하는 이유는 간단한 엔지니어링 균형입니다: 영구자석 동기 모터는 최고 효율이 높아 상시 부하가 걸리는 축에, 유도 전동기는 전원이 차단되었을 때 거의 손실 없이 자유롭게 회전할 수 있어 보조 축에 사용됩니다. AWD 전기차는 이렇게 크루즈 모드에서도 효율을 유지하면서 동시에 토크가 필요할 때 네 바퀴 모두에서 출력을 활용할 수 있는 유연성을 갖추게 됩니다.
핵심 요약
- 영구자석 모터 95-97% 의 최고 효율에 도달합니다; 유도 전동기는 일반적으로 90-93% 범위에 머뭅니다.
- 유도 전동기는 스테이터 전원이 차단되면 로터가 자유롭게 회전합니다; 이는 쌍모터 구성에서 이상적인 보조 축 이 되게 합니다.
- 동일 출력의 유도 전동기는 45-60 kg 인 반면 PMSM은 약 22 kg 입니다; 토크 밀도는 2-3배 높습니다.
- Tesla Model 3 Dual Motor는 전륜에 유도 전동기, 후륜에 매입형 영구자석(IPM) 모터를 사용합니다; Mercedes-Benz EQ 모델은 그 반대를 선택합니다.
왜 두 모터를 같은 설계로 만들지 않을까?
양쪽 축 모두에 영구자석 모터를 장착하는 것은 이론상 타당해 보입니다: 결국 더 효율적이고, 더 가볍고, 더 컴팩트한 모터이기 때문입니다. 문제는 PM 모터의 자기장이 절대 꺼지지 않는다는 점입니다. 이 모터들의 로터에 있는 자석은 항상 자기장을 생성합니다; 차량이 코스트 모드일 때, 즉 모터 전원이 차단된 상태에서도 회전하는 자석 로터는 스테이터 권선에 원치 않는 전류와 철손을 유발합니다. 요컨대 PM 모터는 말 그대로 "재울 수 없습니다".
반면 유도(인덕션) 전동기에서는 로터 전류가 스테이터에 의해 간접적으로 유기됩니다. 스테이터 전원이 차단되면 로터는 자기장 없이 기계적으로 자유로워지고 드래그 손실은 거의 0에 가까운 수준으로 떨어집니다. 이 한 가지 특성이 쌍모터 아키텍처의 기본 논리를 설명합니다: 사용하지 않는 축은 공짜로 회전해야 하며, 이를 실현할 수 있는 모터는 유도 전동기입니다.
두 모터 타입의 특성: 효율, 무게, 토크 밀도
영구자석 동기 모터(PMSM)의 우위는 최고 효율만이 아니라 효율의 분포에 있습니다. 로터 전류 손실이 없기 때문에 넓은 속도 및 토크 범위에서 효율을 유지합니다; 이는 일상 사용에서 대부분의 경우 특정 지점의 최고 효율보다 더 가치 있습니다. 유도 전동기의 손실 중 일부는 완전히 구조적인 것입니다: 로터가 스테이터 자기장보다 슬립(slip)만큼 뒤처질수록 로터에 전류와 그에 따른 열이 발생합니다. 동일한 자속을 생성하기 위해 유도 전동기는 더 많은 철과 구리를 필요로 합니다 - 50 kW 유도 전동기는 45-60 kg인 반면 동급 PMSM은 22 kg입니다. PM 모터의 토크 밀도도 2-3배 높아 동일한 성능을 더 컴팩트한 패키지에 담을 수 있습니다.
| 특성 | 영구자석 동기 (PMSM) | 유도 (인덕션) |
|---|---|---|
| 최고 효율 | 95-97% | 90-93% |
| 자유 회전 손실 | 낮지만 0이 아님 (상시 자석 자기장) | 매우 낮음, 사실상 자유 회전 |
| 50 kW 모터 중량 | 약 22 kg | 45-60 kg |
| 토크 밀도 | 높음 (2-3배) | 더 낮음 |
| 부하 범위에서의 효율 | 넓은 범위에서 효율적 | 가변 부하에서 더 빠르게 감소 |
| 영구자석 필요 여부 | 희토류 원소가 필요함 | 불필요함 |
| 일반적인 역할 | 지속 부하 축 | 보조 축 / 추가 출력 |
효율 맵에서의 매칭 로직
모든 전기 모터에는 효율 맵이 있습니다. 이는 속도-토크 평면에서 어느 영역이 얼마나 효율적인지를 보여주는 등고선 다이어그램입니다. 손실은 세 가지 주요 그룹에서 발생합니다. 권선 저항에서 오는 옴 손실, 철심의 변동 자속에서 생기는 철 손실, 그리고 PM 모터에서 영구자석 자체가 만드는 추가 손실입니다. 잘 설계된 듀얼 모터 구성은 이러한 맵의 가장 효율적인 영역을 차량의 일반적인 사용 프로필에서 가장 많은 시간을 보내는 지점과 일치시킵니다.
전략은 다음과 같이 작동합니다. 차량이 정속 주행(cruise) 중일 때는 PM 모터만 작동하며, 그 크기는 바로 이 저부하 시나리오에서 효율 맵의 가장 효율적인 영역에 위치하도록 선택됩니다. 유도 전동기는 인버터 명령 한 번으로 차단되며, 로터는 자유롭게 회전하고 드래그는 거의 0입니다. 가속, 램프 등판 또는 구동력 상실이 발생하면 두 번째 모터가 토크 생성을 시작합니다. 차량 소프트웨어는 전후 차축 간 토크 분배를 항상 소비를 최적화하도록 조정하며, 이 토크 할당 알고리즘은 기본 토크 벡터링의 기반을 동시에 구축하고 각 차축의 측면력 용량 균형을 맞추려 합니다.
회생 제동에도 비대칭이 존재합니다. PM 모터는 자기장이 항상 준비되어 있어 발전기 모드로 자연스럽게 전환됩니다. 유도 전동기를 발전기로 사용하는 것은 다소 더 복잡합니다. 로터 자기장이 간접 유도로 형성되기 때문에 제어 계층이 먼저 이 자기장을 구축해야 합니다. 그럼에도 최신 듀얼 모터 차량에서는 양쪽 차축 모두 에너지 회수에 참여할 수 있습니다.
제조사들은 왜 어떤 매칭을 선택할까?
Tesla: 전방 유도 전동기, 후방 IPM
Tesla Model 3 듀얼 모터(Dual Motor)는 이 아키텍처의 가장 많이 논의되는 사례입니다. 전 차축에 3상 4극 유도 전동기, 후 차축에 3상 6극 내장형 영구자석(IPM) 모터가 장착됩니다. 회사의 역사적 변화도 시사적입니다. 초기 Roadster와 Model S는 완전히 유도 전동기였지만, Model 3와 Y부터 주 구동 유닛이 PMSM 기반으로 전환되었습니다. 이유는 분명합니다. PM 모터의 더 높은 비용은 그것이 제공하는 효율 향상의 가치가 있습니다. Tesla는 또한 영구자석을 리럭턴스(자기 저항 토크) 설계와 결합하여 효율을 한 단계 더 끌어올리고 있습니다. PMSR이라 불리는 이 세대 모터에서는 IPM-SynRM 하이브리드 아키텍처의 흔적이 보입니다.
Mercedes-Benz: 거울상
Mercedes-Benz EQ 모델은 같은 논리를 반대로 적용합니다. 후 차축에 영구자석 동기 전동기, 전 차축에 유도 전동기를 사용합니다. 이는 "PM이 어느 차축에 있어야 하는가"라는 질문에 단 하나의 정답이 없음을 보여줍니다. 결정은 차량의 중량 분배, 일반적인 주행 부하, 그리고 열관리 아키텍처에 따라 이루어집니다. 후 차축이 대부분의 EV에서 더 높은 지속 출력을 담당하므로 PM 모터를 뒤에 배치하면 크루즈 부하가 가장 효율적인 모터에 실리게 됩니다. Tesla에서도 본질적으로 같은 논리가 작동합니다.
업계 전반
BYD, Toyota, Hyundai, Volkswagen 같은 브랜드는 높은 토크 밀도와 넓은 회전 속도 범위에서의 효율성 덕분에 주로 PMSM 시스템에 의존하고 있습니다. BEV의 대다수는 영구자석 모터를 사용하며, 르노 조(Renault Zoe)와 초기 테슬라 모델 S(Model S)가 이 규칙의 잘 알려진 예외입니다. 업계 조사에 따르면 PM 모터는 예측 가능한 미래에도 지배적인 모터 유형으로 남을 것이며, 부품 대기업 보쉬(Bosch)도 차세대 양산용 영구자석 동기 e-모터 제품군을 선보인 상태입니다.
PM이 모든 면에서 우월한가? 아직도 비동기 모터가 이기는 영역
비교는 일방적이지 않습니다. 비동기 모터는 세 가지 확실한 장점을 지니고 있습니다: 영구자석이 없어 희토류 원소에 대한 의존성이 없고, 모터 비용이 일반적으로 20-30% 더 낮으며, 자석의 타자(脫磁)에 대한 내성이 있어 120°C를 넘는 환경에서도 자속 손실 문제가 없습니다. 반면 PM 모터에서는 고온이 자석의 수명에 미치는 위험으로 고려되어야 합니다. 또한 PM 로터의 회전은 인가 전압에 반대되는 전압(back-EMF)을 생성하는데, 이는 모터가 부하가 요구하는 전류를 끌어당기게 하지만 고회전에서는 전압과 손실 관리가 설계의 핵심 과제가 됩니다.
효율 차이의 크기도 절대적이지 않습니다: 5-7%라는 범위가 일반적으로 통용되지만, 차이는 부하 지점에 따라 좁아지거나 벌어집니다. PM의 장점은 특히 가변 부하에서 뚜렷하며, 지속적이고 일정한 부하에서는 차이가 상당히 줄어듭니다. 후보로 전기 여磁 동기 모터(EESM)도 거론되고 있습니다: 자석이 없고 여자 가능성이 제어 유연성을 부여하지만, 부분 부하 효율은 로터 자속을 지속적으로 공급하는 여자 전류가 필요하기 때문에 일반적으로 PMSM보다 낮습니다.
자주 묻는 질문: 듀얼 모터는 주행 거리를 늘리는가?
이 질문의 답은 모터에 달려 있습니다. PM 단일 모터 차량과 PM + 비동기 조합의 AWD 차량을 비교하면, 듀얼 모터 구성은 주행 거리를 잃지 않습니다. 사용되지 않는 비동기 축이 자유롭게 회전하며 효율에 거의 영향을 주지 않기 때문입니다. 이득은 토크가 필요한 축으로 분배되고, 각 모터가 자신의 효율 맵에서 가장 효율적인 영역에서 작동함으로써 얻어집니다. 만약 양쪽 축 모두 영구자석 방식이었다면, 지속적으로 흐르는 철손이 주행 거리를 실제로 잠식했을 것입니다. 이러한 조합은 바로 이 손실을 없애기 위해 존재합니다.
그렇다면 왜 모든 제조사가 같은 구성을 사용하지 않을까요? PM 축의 위치는 모델과 제조사에 따라 달라지며, 일부 평가에서는 전방 모터를 더 효율적인 PM로 보지만, 차체 분해 분석은 모델 3/Y에서 후방 모터가 일반적인 주행 부하에서 더 효율적인 PM 유형임을 확인합니다. 고정된 것은 규칙이 아니라 원칙입니다: 순항 부하는 가장 효율적인 모터가 담당하고, 필요하지 않으면 다른 모터는 대기해야 합니다.
결론: 의도된 비대칭
전방에는 영구자석식, 후방에는 유도전동기(또는 그 반대) 배치는 어느 한 모터 기술이 다른 것보다 우수하다는 선언이 아니라, 서로 다른 두 특성의 분업입니다. PM 모터는 넓은 부하 범위에서 95-97%의 효율로 지속적인 부하를 담당하고, 유도전동기는 자유 회전 능력으로 예비 축을 손실 없이 유지합니다. 자석 비용, 열 내구성, 희토류 독립성 같은 요소들이 이 조합을 경제적으로도 더욱 탄탄하게 만들고 있습니다. 주행 거리 손실 없이 네 바퀴 구동을 원하는 엔지니어에게 이 비대칭 구성은 현존 기술 중 가장 균형 잡힌 해답으로 자리 잡고 있습니다.