## 3주차_모터 신기술 조사 프로젝트
### <center>비희토류 모터</center>

<center>201920080 김병찬</center>

### 1. 필요성

전 세계 네오디뮴 시장에서 중국은 채굴의 58%, 제련의 90%를 담당한다. 한국무역협회에 따르면, 국내 완성차업체들이 생산하는 전기차가 늘면서 국내에 들어오는 영구자석의 87.9%는 중국산이라고 한다. 현재 중국 정부는 미국의 반도체 수출 규제에 대한 맞대응으로 '희토류 자석 수출 금지'를 검토하고 있다. 이렇듯 현대 산업에서 필수적인 희토류 자원을 둘러싼 환경이 급변하고 있으므로 제조업에서 요구되는 안정적인 원자재 공급의 불안감을 해소하기 어렵다.
현대자동차, 테슬라가 중국 의존도가 높은 '희토류'를 원료로 쓰지 않는 전기차 모터 개발을 진행 중이다. 비희토류계 영구 자석 모터는 자속 집중형 구조의 페라이트 영구 자석 모터가 있으며, 비영구 자석형 모터는 스위치드 릴럭턴스 모터, 동기식 릴럭턴스 모터, 권선형 계자 방식 동기 모터 등이 있다. 현대자동차는 회전자 부분에 영구자석 대신 전자석이 들어간다. 테슬라는 산화철에 금속 원소를 혼합해 만든 페라이트를 영구자석으로 활용한 모터를 개발 중이다.
이 중 권선형 계자 방식 동기 모터(WFSM)에 대해 알아보고 어떠한 기술들이 적용되는 지 찾아보았다.

### 2. 권선형 계자 방식 동기 모터(WFSM)

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계자 자속과 전기자 자속의 결합으로 토크를 발생시키는 동기 모터 중 계자 자속을 영구 자석이 아닌 철심에 코일을 감아 전자석을 형성하는 모터이다.
보통 차량용으로 사용되는 희토류계 영구 자석을 이용한 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)는 형상과 재료에 따라 계자 자속이 결정된다.
반면 WFSM은 계자 자속을 전류 피드백 제어를 통해 제어하여 유연하게 가변할 수 있어 효율적인 고속 운전을 구현할 수 있다.
그러나 IPMSM 대비 낮은 출력 밀도, 효율 특성을 갖는다. 일반적으로 WFSM이 1.3~1.5배 사이즈를 가진다.
모터의 출력 밀도와 구동 효율이 차량 구동용 모터의 중요한 성능 지표이므로 WFSM은 가격 경쟁력이 현저히 높지 않은 이상 양산 적용이 어렵다.

### 3. WFSM 성능 향상을 위한 기술

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차량 구동용 모터의 중요한 성능 지표인 순시 출력 운전 특성은 냉각 성능과 밀접한 관련이 있다. 모터에서 발생되는 손실열은 모터 고장의 주요 원인으로 권선의 소손 방지를 위해 적절히 냉각하여 내열 한계 온도 이하로 유지할 필요가 있다.
IPMSM의 경우 영구 자석 표면 와전류손과 같은 고속 운전 시의 회전자 철손을 제외하면 회전자의 손실열이 적어 별도의 회전자 냉각을 하지 않는다. 그러나 WFSM은 회전자 계자 권선에서도 동 손실이 발생하므로 적절한 냉각 방식을 취해야 한다. 그러나 회전자에서 발생하는 열은 모터 외측으로 방열되기 어려우며, 회전자 철심과 외측으로 맞닿는 공극은 단열재인 공기로 구성되어 있어 더욱이 냉각이 어렵다.
이를 해결하기 위한 첫 번째 기술은 중공식 회전자 샤프트 이용 수냉이다. 테슬라 모델 S에 적용한 방식으로 대부분의 열은 회전자 철심을 통해 회전자 샤프트로 전달되는 점을 이용한 방법이다. 전류가 통전되어 손실열이 발생할 수 밖에 없는 WFSM과 유도 전동기의 경우, 이와 같은 회전자 샤프트를 이용한 수냉 구조가 매우 효과적이다.
두 번째 냉각 기술은 회전자 계자 권선의 열을 효과적으로 회전자 철심, 그리고 샤프트 측으로 전달하기 위해 열전도성 절연 에폭시 재료를 회전자 계자 권선 몰딩에 적용하는 것이다. WFSM에서 회전자 계자 권선과 권서닝 감겨진 회전자 철심 코어는 모터 고속 회전 시 큰 원심력을 받아 모터 회전축 반경 방향으로 이탈하려는 '비산'이라는 고장 발생 가능성이 있다. 비산을 막기 위해 권선 여백 공간을 에폭시로 메꿔주는데, 기존 에폭시를 열전도도가 4W/mK 이상으로 향상시킨 새로운 에폭시를 적용하여 손실열에 대한 열전달 횽ㄹ을 높이는 방식이다.
이러한 기술을 사용하여 WFSM 또한 고전류 밀도 설계를 통한 사이즈 감소, 고출력 밀도 특성을 확보하여 차량 구동용 모터로서 충분한 역할을 달성할 수 있다.

### 4. 참고문헌
https://m.khan.co.kr/economy/economy-general/article/202308131659001#c2b
신외경(2021), xEV 비희토류계 차량 구동용 모터 기술, 기계저널