전기차의 핵심 구동 요소는 전기모터입니다. 전기모터는 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치로, 자기장과 전류의 상호작용을 기반으로 작동합니다. 이 과정을 이해하기 위해서는 전기모터의 주요 구성 요소와 전자기학의 기본 원리에 대한 이해가 필요합니다. 단, 여기서는 전기차에 주로 사용되는 AC 유도 모터와 DC 브러시리스 모터의 원리에 초점을 맞추어 설명하겠습니다.
전기모터의 기본 구성 요소를 알아보겠습니다
전기모터는 크게 두 부분으로 구성됩니다; 고정자(Stator)와 회전자(Rotor).
고정자는 모터의 외부에 위치하며 고정되어 있는 부분으로, 전기가 흐르는 코일로 이루어져 있습니다. 회전자는 모터 내부에 위치하며, 전기적, 기계적 입력에 반응하여 회전하는 부분입니다.
전기모터의 기본 원리
전기모터의 작동 원리는 ‘오른손 법칙’과 ‘플레밍의 왼손 법칙’에 기반합니다.
이는 전류가 흐르는 도체가 자기장 내에서 힘을 받는 현상을 설명합니다. 전류가 흐르는 도체가 외부 자기장과 상호작용할 때, 도체에 수직 방향으로 힘이 발생하며, 이 힘은 도체를 움직이게 합니다.
AC 유도 모터
AC 유도 모터는 교류 전원을 사용합니다. 고정자에 교류 전류가 흐르면 변화하는 자기장이 생성됩니다. 이 변화하는 자기장은 회전자에 유도 전류를 생성하며, 이 유도 전류가 다시 자기장과 상호작용하여 회전자를 회전시킵니다. 유도 모터는 ‘자기 유도’라는 현상을 이용하기 때문에 브러시가 없는 것이 특징입니다.
DC 브러시리스 모터
DC 브러시리스 모터는 직류 전원을 사용하며, 고정자에는 전자석이, 회전자에는 영구 자석이 사용됩니다. 전자기 제어 장치(ECU)가 고정자의 전자석을 순차적으로 활성화하여 회전자의 영구 자석을 끌어당기고 밀어내는 방식으로 회전자를 회전시킵니다. 이 과정은 매우 빠르게 일어나며, 이를 통해 높은 효율과 정밀한 속도 제어가 가능합니다.
전기차에서의 전기모터 사용
전기차는 이러한 전기모터의 원리를 이용하여 구동됩니다.
배터리에서 저장된 전기에너지가 모터를 통해 기계적 에너지로 변환되며, 이 기계적 에너지가 차량의 바퀴를 회전시켜 차량을 전진하게 합니다. 전기모터는 내연기관 대비 높은 효율, 즉각적인 토크 제공, 소음 및 진동의 감소 등의 이점을 제공합니다.
플러그인 하이브리드를 보겠습니다
PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 플러그인 하이브리드 전기차)는 내연기관과 전기 모터를 결합한 차량으로,
외부 전원에서 충전할 수 있는 배터리를 사용하는 것이 특징입니다. PHEV는 순수 전기 모드에서는 배터리에 저장된 전력을 사용하여 운행하고, 배터리의 전력이 소진되면 내연기관이 작동하여 차량을 구동시킵니다. 이로 인해 완전 전기차(EV)에 비해 긴 주행 거리를 제공하며, 동시에 내연기관 차량 대비 낮은 배출가스와 향상된 연비의 이점을 갖습니다.
PHEV는 일상적인 짧은 거리 운행에서는 순수 전기차처럼 운행할 수 있어 대기오염 물질 배출이 없으며, 장거리 운행 시에는 내연기관의 사용으로 주행 거리에 대한 걱정 없이 운행할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 PHEV는 전기차와 내연기관 차량의 장점을 결합한 중간 단계의 차량으로, 전기차로의 전환 과정에서 중요한 역할을 하고 있습니다.
또한, 외부 전원에서 배터리를 충전할 수 있어 에너지 효율이 높고, 전기 모드에서 운행할 때는 조용하고 부드러운 주행 경험을 제공합니다.
고정자와 회전자, 하우징의 역할을 살펴보겠습니다
전기차의 전기모터 제조에 있어 고정자(Stator), 회전자(Rotor), 하우징은 핵심 구성 요소입니다.
고정자는 주로 전기적 강철(실리콘 강철)로 만들어지며, 이는 자기 특성이 우수해 전기모터의 효율을 높입니다. 고정자의 코일은 구리 또는 알루미늄 와이어로 제작되는데, 이는 전기 전도율이 높아 전류를 효과적으로 전달할 수 있습니다.
회전자는 영구 자석 또는 강철과 같은 재료로 만들어집니다. 영구 자석을 사용하는 경우, 네오디뮴(NdFeB)과 같은 고성능 자석이 사용되어 높은 효율과 강력한 토크를 제공합니다. 강철을 사용하는 경우, 래미네이션 과정을 거쳐 제작되며, 이는 고정자와 유사한 재료로 만들어집니다.
하우징은 모터의 외부를 보호하고 내부 구성 요소를 지지하는 역할을 합니다. 주로 알루미늄 합금이나 강철로 제작되는데, 이는 내구성이 뛰어나고 열 전도성이 좋아 내부 열을 효과적으로 방출할 수 있습니다. 또한, 가벼운 무게로 제작되어 전기차의 전체 중량을 줄이는 데 기여합니다.
전기차 모터의 제조 과정은 고도의 정밀도와 품질 관리가 요구되며, 사용되는 재료는 모터의 성능, 효율, 내구성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서, 고성능 전기차 모터 제조를 위해 고급 재료의 선택과 첨단 제조 기술의 적용이 중요합니다.
