‌머리말

자동차에 사용되는 전동기는 크게 견인용(Traction)과 부품용(Accessory)으로 나눌 수 있다. 견인용 전동기는 HEV/EV에 사용되는 전동기로서 자동차에 추력을 발생시켜 자동차를 구동하는 역할을 하는 전동기를 나타낸다. 견인전동기가 하는 역할에 의해 HEV는 micro, mild, soft, hard HEV로 구분되며 EV의 경우도 주행거리와 최고 속도에 의해 여러 가지 출력을 가질 수 있다. 따라서  HEV/EV에 사용되는 전동기는 수kW에서 수백kW까지 출력까지 다양하다.
견인용 전동용 전동기는 배터리(Battery)로부터 공급되는 에너지를 사용하므로 고효율이 요구되며 특히 출력이 높은 전동기일수록 고효율의 요구가 높아진다.
견인전동기는 출력이 크기 때문에 크기도 커질 수밖에 없으나 한정된 공간에 장착되어야 하기 때문에 소형경량화가 절실히 요구된다.
부품용 전동기는 자동차의 운전 안전성, 편의성, 안락성을 위해서 제공되는 전동기로써 그림 1에서 알 수 있는 바와 같이 고급 승용차에는 130개 내외가 사용되고 소형차의 경우도 50개 내외가 사용되는 것으로 알려져 있다.

그림 1. 자동차용 전동기의 종류 및 위치

이러한 부품용 전동기는 크게 파워트레인용, 샤시용, 공조 및 외장용, 내장용으로 나눌 수 있다.
초기 EV 구동용 전동기는 제어가 쉬운 직류 직권 전동기가 제일 먼저 사용되었다. 그러나 직류전동기는 출력비(kW/kg)가 낮고 부피가 크며 브러시(Brush)로 인한 유지 보수에 취약한 단점 때문에 브러시리스(Brushless) 직류전동기, 유도전동기, 동기전동기 사용에 대한 연구와 전동기의 출력밀도 증대와 효율 향상을 위한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
다음으로 부품용 전동기는 Starter, Alternator, EOP (Electric Oil Pump), EWP(Electric Water Pump), EC(Electric Compressor) 등 내연기관 자동차에도 적용되었던 부분들은 물론, 현재 안전장치와 편의장치 전장에 많이 적용되어 있다.
최근 들어 소비자들의 차량에 대한 안전과 편의를 위한 기술 개발을 끊임없이 요구하고 있기 때문에 현재 개발되고 있는 차량에는 수많은 첨단 기술이 적용되고 있다. 그 중 대표적으로 몇몇 기술들을 소개하면, 미끄럼 방지 장치인 ABS(Antilock Brake System), 전방 차량의 차간 거리를 검출하여 자동으로 속도를 제어하는 ACS(Adaptive Cruise Control System), 대기 시 자동으로 시동이 꺼지고 페달을 밟으면 주행모드로 전환되는 Idel Stop & Go, 전자제어 주행 안전장치인 ESC(Electronic Stability Control), 노면과 차량의 주행 상태에 따라 차체의 자세 및 감쇄력을 제어하는 ESC(Electronic Controlled Suspension), 조향방향에 따라 헤드램프가 움직이는 AFLS(Adaptive Front Lightning System), 전동식 파워스티어링(Motor Driven Power Steering), 파워 시트(Power Seat) 등이 있다. 이와 같이 전동기는 자동차에 매우 중요한 핵심 부품과 핵심 기술이 되었다고 볼 수 있다.
견인용 전동기와 부품용 전동기는 각 사용 목적에 따라 소형·경량, 가격, 효율, 가속성에 초점을 맞춘 설계 및 제어가 적용되어야 한다.
구체적인 연구 방안으로는 적절한 극수 슬롯수 조합 선정, 냉각 시스템 설계를 통한 전기장하 최대화, 회전자 형상설계를 통한 공극 자속 밀도 향상 등이 있다. 이러한 소형화, 출력밀도 향상은 전동기 성능 개선뿐만 아니라 최근에는 전동기 드라이브 및 제어 기법의 연구와 함께 이루어지고 있다.
따라서 이 글에서는 위와 같은 차량용 전동기 설계와 제어 최신 기술동향을 설명하고자 한다.

‌차량용 전동기 설계와 제어

앞서 설명했듯이 자동차에는 수많은 전동기가 사용되고 있다. 하지만 이 다양한 애플리케이션에 적용되는 전동기들의 개발 요구조건은 각각에 쓰이는 특정 부하조건에 따라 모두 다르다.
예를 들어, 견인용 전동기와 같은 경우, 주행 연비 상승을 위한 고효율 및 경량화, 제한된 공간에서 요구 출력을 만족시키기 위한 고출력밀도 전동기를 설계 및 제어 목표로 잡아야하고, 와이퍼 전동기(Wiper Motor), 파워 시트(Power Seat)와 같이 순시 동작하는 모터는 요구 출력은 만족하면서 경쟁력 있는 가격을 목표로 잡아야 한다.
이와 같이 자동차용 전동기의 평가지표를 소형·경량, 가격, 효율, 가속성에 따라 4가지로 분류하고 그 사용 목적에 따른 자동차용 전동기의 적용 애플리케이션을 비교하여 그림 2와 같이 나타낼 수 있다.

그림 2. 자동차용 전장품 전동기의 평가지표

다음으로 각각의 전동기 요구조건을 만족하기 위한 설계와 제어 방법을 소개한다.

1. 가격 경쟁력 확보를 위한 전동기 후보군
부품용 전동기는 견인전동기와 달리 효율, 소형·경량, 가속성 등 보다는 가격 경쟁력을 가장 고려한다. 표 1은 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM), 계자권선형 동기전동기(WFSM), 유도전동기(IM), Spoke형 페라이트(Ferrite) 전동기, 동기형 릴럭턴스 전동기(SynRM) 등 다섯 가지 모델을 동일한 사이즈(고정자 직경, 적층 동일)일 때 정격 속도에서 토크 및 효율을 비교하여 나타내었다.

표 1. 각 전동기 별 동일 사이즈 대비 토크, 효율, 동일 토크 재료비 비율

이 표에서 알 수 있는 것은 동일 토크 재료비 비율을 비교해보면, IPMSM에 비해 4가지 종류의 모터가 더 저렴한 것을 확인 할 수 있다.
WFSM은 계자 자속을 제어할 수 있으므로 고속에서의 약자속 운전에 유리한 점이 있다. 따라서 ISG 등 높은 전류 밀도를 요구하는 시스템에서 감자 현상 우려가 없는 WFSM 모터를 더 많이 적용한다.
Spoke-형 전동기는 페라이트 자석을 사용하기 때문에 매입형 영구자석 전동기보다 저렴하고 열에 대한 내구성이 좋아 EOP(Electric Oil Pump) 등 냉각 방식이 없는 고온 환경에서 더 유리하다.
SynRM과 유도전동기는 비슷한 출력밀도를 갖는 기기로써 자주 비교한다. SynRM은 회전자에 권선 및 영구자석이 필요 없는 간단한 구조로 인해 제작이 용이하여 생산 단가를 낮출 수 있다. 그리고 유도전동기와 달리 회전자 부분의 2차 회로에 전류가 흐르지 않기 때문에 2차측 동손이 발생하지 않는다. 하지만 고속으로 갈수록 SynRM의 회전자 구조의 한계로 세그먼트가 비산할 수 있으므로 기계적인 강도 측면에서는 유도전동기가 우수하다.
 
2. 전동기의 출력밀도 최대화 방안
1) 극수 슬롯수 조합 선정 방법
전동기의 출력밀도 최대화 방안의 하나로써, 영구자석 전동기의 극수를 선정하는 방법이 있다. 동일한 치와 고정자 요크 포화 자속밀도를 갖는 전동기에서 극수를 증가하는 설계를 하면 고정자 외경이 감소하고, 자기장하 및 전기장하를 증가시키면 전동기 사이즈가 감소하여 출력밀도를 향상할 수 있다. 하지만, 전동기의 제어성을 고려한다면 극수의 증가는 제한될 수밖에 없다. 정현파 전류제어가 가능한 스위칭 횟수를 1주기당 15회라고 하면 선택할 수 있는 극수가 최대 구동속도에서 제한된다. 위의 조건 등을 고려했을 때 산업에 가장 많이 쓰이고 있는 극수는 4~16극 사이에 있다.
극수 결정의 예를 들어, 통상적인 제어기 스위칭 주파수가 8kHz, 10kHz, 16kHz이고, 원활한 전류 제어를 위한 1주기당 권장 스위칭 횟수가 15회 이상이라고 가정할 때, 회전속도 20,000rpm, 10kHz 제어기 사용 시 권장 극수는 식 (1), (2)에 의해 계산할 수 있다.

15회 이상 스위칭 시 권장 극 수

영구자석의 슬롯수는 코깅 토크, 권선배 치, 권선 계수, 유효 턴 수, Radial force, 제작비용, 출력밀도, 기계적 구조 등과 같은 사항을 고려하여 결정한다. 극수/슬롯수 조합에 따라 전동기 특성이 달라지기 때문에 조합을 고려한 슬롯수의 결정이 중요하다.
최적화된 슬롯수를 결정하는데 우선적으로 집중권 또는 분포권의 사용 유무를 결정해야 한다. 분포권에 비해 집중권은 높은 점적률과 적은 엔드코일을 가지며, 동손이 작고 우수한 제작성을 가지지만, 고조파 성분은 커지고 긴 유효 코어 적층 길이를 가지는 단점이 있다. 집중권으로 가능한 여러 가지 극수/슬롯수 조합 중에 높은 권선 계수의 슬롯수를 선정한다면 최대화된 출력밀도를 얻을 수 있다.
2) 비장하 선정을 통한 전동기 사이징 최소화
전동기의 토크는 크게 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크로 나눌 수 있으며, 각각의 토크방정식은 식 (3), (4)와 같다.

위 식에서 는 권선 계수, 은 공극 자속밀도 기본파의 최댓값, 는 비전기장하, 는 전류위상각, 는 공극직경, 는 축방향 길이, 는 극쌍수, 은 비퍼미언스 기본파 성분이다.
초기 전동기 사이즈 설계 시, 마그네틱 토크식을 이용한다. 돌극비가 일 때, 릴럭턴스 토크는 존재하지 않고 마그네틱 토크만 존재하며 최대 토크일 때, 항이 1이 되고, 은 회전자의 부피에 비례하므로 결국 전동기의 사이즈는 토크에 비례하게 되며, 그 정도는 비장하의 선택에 따라 달라진다.
요구 토크가 결정되었다면,  값은 적절한 비자기장하와 비전기장하로부터 결정 가능하다. 토크식에 쓰이는 공극자속밀도는 기본파의 최댓값이며, 비자기장하, 즉 평균 공극자속밀도로부터 구할 수 있다.
비전기장하 경우 회전자의 부피는 이에 반비례해 커지게 된다. 하지만 전동기 전체 부피로 비교해 보면 슬롯이 커질수록 전기장하가 커지므로 전기장하를 무한정 키운다고 해서 출력밀도를 높일 수는 없다. 또한, 비전기장하가 커짐에 따라 동손은 증가하므로 효율이 중요시 되는 전동기의 경우 적절한 비장하를 선택하는 것이 매우 중요하다[1].

3. 효율 향상 설계기법
전동기의 효율은 손실에 의해 달라지며 손실은 크게 동손과 철손으로 나뉜다. 손실을 줄이기 위한 효율 향상 설계기법으로 권선법을 통한 동손·철손 저감, 내외 분할코어를 통한 점적률 증가, 냉각 시스템 설계 등이 있다.
1) 권선법을 통한 동손·철손 저감
매입형 영구자석 동기전동기에 사용되는 희토류 자석의 경우 철이 주성분이므로 높은 도전율을 가지고 있으며, 이는 운전 시 고조파로 인하여 심각한 와전류 손실을 발생시킨다. 이를 저감하기 위하여 영구자석의 형상에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 여러 매입형 영구자석 동기전동기 중에서 출력밀도의 관점에서 보면 엔드코일이 짧은 치집중권 방식이 분포권 방식보다 우수하다.
그러나 영구자석에서 발생하는 와전류 손실이 약 100배 이상 높기 때문에 효율적인 관점에서 보면 매입형 영구자석 동기전동기에 치집중권 사용이 어려울 수 있다. 이러한 문제를 해결할 수 있도록 그림 3과 같은 V-type의 매입형 영구자석 전동기 구조를 가져간다면, 영구자석을 분할하여 와전류 손실을 저감시키고 효율을 증가시킬 수 있다. 사실 그림 3은 매입형 영구자석 동기전동기의 출력밀도 향상을 위한 자속 집중형 구조이다.

그림 3. V-type 매입형 영구자석 동기전동기

하지만 분할된 영구자석 구조로 인해 동일양의 영구자석을 사용한 Bar-type 구조보다 자석에서 발생하는 와전류 손실을 저감시킬 수 있다. 
영구자석 사이각과 작은 웹폭 치수를 적절히 선정하면 와전류 손실을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
2) 내외 분할코어를 통한 점적률 증가
점적률은 식 (5)와 같이 전체 코일의 단면적을 슬롯 면적으로 나누는 것으로 정의한다.

내외 분할코어는 그림 4와 같이 고정자 코어를 보어가 있는 외측과 슬롯이 있는 내측으로 나눈 구조를 말한다.

그림 4. 내외 분할모터 구조

기존 코어는 권선기 노즐의 이동 공간을 고려해야 하지만, 내외 분할코어는 권선을 감은 이후에 조립을 진행하기 때문에 권선기 노즐의 이동 공간을 고려할 필요가 없으므로 점적률을 높일 수 있다.
동등한 턴수의 코일을 사용 할 경우 기존 코어보다 내외 분할코어가 더 큰 선경의 권선을 사용할 수 있다. 권선의 선경이 클수록 권선의 저항이 감소하고, 동손 또한 감소하게 된다. 그러므로 동일한 사이즈에서 점적률이 높을수록 더 높은 효율을 낼 수 있게 된다.
3) 냉각 시스템 설계
전동기 내부의 온도가 높아지게 되면 온도 상승에 따른 영구자석의 물성치 변화, 고정자 및 회전자 철손 변화로 효율이 감소할 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 전동기의 냉각 시스템이 사용되며, 냉각 시스템의 최적화를 통하여 모터의 열효율 향상과 고 효율화를 달성할 수 있다.

4. 멀티피직스 해석
1) 멀티피직스 해석의 필요성
기존에 진행되었던 전동기 설계는 전자계 해석 위주로 진행되어 왔으며, 전류밀도, 회전자 보강 구조, 리브 구조 등은 대부분 경험적으로 얻어진 데이터를 기반으로 설계되었다. 그러나 가전 및 자동차 전장품과 같은 전동기는 높은 신뢰성을 필요하기 때문에 보다 정확한 해석을 통한 설계가 필요하다. 실제로 전동기는 전자기, 구조, 열과 같은 여러 물리 영역들이 서로 영향을 미치고 상호작용을 한다. 따라서 정확한 해석을 위해서는 이러한 여러 물리계를 고려한 해석이 필요하다. 이것을 다중물리해석 또는 멀티피직스 해석이라고 하고, 멀티피직스 해석을 통해 신뢰성 있는 전동기를 설계할 수 있다[2].  
결과값(solution)을 얻기 위한 단계로 보면, 멀티피직스 해석방법은 크게 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 하나는 순차적(sequential)방법이며, 다른 하나는 동시적(simul-taneous)방법이다. 두 가지 방법 모두 각각의 물리계를 어떠한 방식으로 연동하느냐 하는 방법의 차이일 뿐, 목적은 같다고 말할 수 있다. 두 방법 모두 각각의 장단점이 있으며, 해석 대상의 범위와 목적에 맞게 선택할 수 있다. 아래는 전동기에서의 현상 예측과 관련된 구조 및 열 해석과 관련된 예 이다.

그림 5. 전동기 냉각 시스템

2) 전동기 구조 해석
전동기가 고속으로 운전되기 위해서는 회전자가 기계적으로 강건해야 한다. 따라서 설계 단계에서 정확한 강도해석으로 회전자의 안전율을 확보하여야 한다. 전동기의 종류에는 유도전동기, IPMSM, SPMSM, WFSM 등 여러 전동기가 있지만, 그림 6에 보이는 바와 같이 WFSM 모델을 예로 했다.

그림 6. WFSM 모델 및 회전자 강도해석의 예

WFSM은 계자권선형 전동기로 회전자에 권선이 감겨져 있는 형태이므로 고속 운전 시 권선이 비산할 수 있으므로 강도해석이 필요하다.
그림 6의 강도해석 모델링은 회전자의 1/10 모델이다. 회전자의 구성을 보면 회전자 강판, 몰딩, 권선, 웨지로 구성되어 있다. 일반적으로 몰딩은 권선과 권선 사이 빈 공간에 플라스틱으로 채워져 있고, 웨지는 Sus 재질로 구성되며 권선의 비산을 막는 구조로 최적화되어 있다. 이러한 회전자의 기계적인 안전율을 검증하기 위해서 그림 6과 같이 강도해석을 수행하고 그 모델의 안전율을 통해 회전자의 안정성을 판단할 수 있다.
3) 전동기 열 해석
일반적으로 열 해석의 방법으로 열등가회로를 이용하는 방법과 유한요소법을 이용하는 방법이 있다. 열등가회로의 경우, 빠른 계산이 장점이므로 전동기의 설계 단계에서 다양한 설계 변수의 변경에 따른 열 특성 영향에 대한 분석을 빠르게 검토할 수 있는 장점이 있다.
두 번째 수치해석을 이용한 유한요소 해석 방식이 있다. 이 방법의 경우, 모델의 국부적인 상세 온도를 알고자 할 경우에 유용한 방법이지만, 그림 7과 같이 전동기 해석 모델의 요소 분할이라는 과정을 거쳐야 하기 때문에 고정자 권선과 슬롯 사이의 절연재료, 외함 및 팬 또는 수냉각 자켓 등의 냉각장치를 포함한 복잡한 형상을 가진 전동기를 해석할 경우, 매우 많은 요소 분할이 필요하기 때문에 긴 시간이 필요한 단점이 있다. 

 그림 7. IPMSM 모델의 FEM 해석을 위한 요소 분할도

5. 소음·진동 저감을 위한 제어기법
자동차용 전장품의 평가지표 중 하나인 소음, 진동의 저감 기술은 전동기의 설계에 따른 구조적인 문제를 개선하여 해결하는 것과 동시에 제어적인 측면에서도 반드시 고려해야할 사항이다. 실시간 제어의 오류로 인해 발생하는 문제점을 전동기 관점에서 보았을 때, 예기치 못하게 전동기에서 소음과 진동이 발생하게 되는 경우라 할 수 있으며, 이는 상황에 맞게 순시적인 제어가 가능해야만 신뢰성을 보장 받을 수 있다. 따라서 소음, 진동의 원인을 분석할 필요가 있으며, 토크리플이 이에 밀접한 연관성을 갖는다.
토크리플은 제어적 관점에서 보면 순시적으로 전압, 전류 지령에 대해 피드백에 대한 오차가 클 경우, 즉 반응 속도가 지령에 대해 따라오지 못하는 경우 발생한다. 예를 들어 역기전력에 대한 전류가 즉시 인가되어야 하지만 상 인덕턴스의 영향으로 인해 전류가 지연되는 경우 필요로 하지 않는 영역에 전류가 흐르게 되어 토크리플이 발생하고 결과적으로 소음과 진동이 수반된다. 저소음, 저진동을 위한 전동기의 제어 방법으로는 PWM 스위칭 주파수 변조, 데드타임 단축 및 균일화 등 스위칭 방식 개선을 통한 방법과 고조파 주입, 역 위상 진동 주입, 중성점 전압 평형 제어 등 전동기 제어 알고리즘 개발을 통한 방법 등을 들 수 있다.
또한, 3상 인버터 외에도 멀티 레벨 인버터, 매트릭스 인버터, 듀얼 인버터 등 전동기 제어 드라이브의 토폴로지 변화를 통한 전동기 성능 개선의 연구가 활발하다. 특히 전동기 제어는 전동기와 인버터의 구동 원리를 정확히 이해하여야 하며 각 전동기와 인버터에 맞는 제어 방법을 선정해야 극대의 효과를 낼 수 있다.

‌맺음말

지금까지 자동차용 전동기 설계와 제어 최신 기술동향에 관한 사항들을 알아보았다.
자동차에 적용되는 견인용, 부품용 전동기들은 각각 요구 포인트가 모두 다르기 때문에 그에 맞는 설계와 제어법을 적용해야 한다. 소형·경량화를 위해서 극슬롯수 조합, 비장하선정을 고려한 설계법, 가격 경쟁력을 높이기 위해 Nd 영구자석을 사용하지 않은 전동기 후보군을 선정하고 비교했다.
또한, 고효율 전동기를 위해 동손·철손 등 주요 손실을 저감할 수 있는 권선법 및 냉각 시스템 설계와 멀티피직스를 이용한 구조, 열 등 다중물리계 해석법, 소음·진동을 줄일 수 있는 제어에 관하여 언급했다. 자동차용 전동기의 설계와 제어를 위해 이 내용이 조금이나마 도움이 되기를 바란다.

이주  한양대학교 전기공학과 교수
홍현석  한양대학교 전기공학과 대학원 박사과정