기계/재료

새로운 영구자석 모터 개발로 신에너지차 성능 대폭 향상

발행일 : 2019 / 10 / 10

징진바이쓰터(精進百思特)전동[상하이유한회사(이하 징진전동으로 약칭)가 개발한 신에너지차용 고성능 영구자석 모터가 지리자동차(吉利汽車), 중퉁객차(中通客車) 등 중국 유명 자동차 제조 기업의 전기자동차의 출시에 따라 설치량이 7만 대를 초과했다.

출력밀도가 4.2~5.3kW/kg인 1세대 원형 꼬임선 코일 모터에서 출력밀도가 6.3kW/kg인 2세대 평각 동선 코일 모터에 이르기까지 영구자석 모터 제품 및 프로토타입의 지표는 유럽, 미국, 일본, 한국 등 주요 자동차 모터 제조업체의 제품 수준에 도달했거나 초과했다.

지난 2년 동안 징진전동 등 17개 업체는 공동으로 해당 제품의 핵심 기술을 파악함으로써 첨단 희토류 영구자성체의 중희토(Heavy rare earth) 사용량을 약 50% 줄이고 절연재료의 장기적인 온도내성을 200℃를 초과시켜 원형 마그넷 와이어(Magnet wire)의 코로나 내성 수명을 여러 배 이상 향상시켰으며 바니시 클로스(Varnished cloth) 플랫 와이어(Flat wire)의 코로나 내성 수명을 90시간 이상에 도달시켰다. 뿐만 아니라 기존에 수입에 의존하던 원재료, 핵심 부품 및 소자 등은 자체 개발 및 생산을 구현했으며 부분 재료의 사용 수명은 배로 향상됐지만 원가는 60%로 절감됐다.

2019년 6월 30일까지 1세대 원형 꼬임선 코일 모터를 설치한 승용차는 누계로 6.8만 대, 상용차는 누계로 약 4,000대에 달한다.

신에너지차에서 전기구동의 핵심 부품은 모터 시스템이다. 고속/고효율/고신뢰성 모터는 신에너지 전기자동차의 에너지 소모를 감소시키고 수명을 연장시킬 수 있다.

모터의 전류는 코일을 통해 전도되기에 코일 사이 및 코일과 철심 사이를 절연시켜야 하며 저항 및 절연 신뢰도는 모터 코일에 대한 기본 요구이다.

21세기 초, 유명한 모터 전문가 차이웨이(蔡蔚)는 “머리핀 구조 코일” 모터를 개발하여 제너럴모터스(General Motors Corporation) 쉐보레(Chevrolet) Tahoe 하이브리드 자동차에 응용했는데 이는 “머리핀 구조 코일” 모터가 자동차 전기구동 분야에서 응용된 세계 최초의 사례이다. 2017년, 차이웨이는 징진전동 등 업체와 공동으로 출력밀도가 4.2kW/kg인 1세대 원형 꼬임선 코일 모터를 개발하여 규모화 생산 및 차량에서의 응용을 구현했다. 동시에 2세대 평각 동선 코일 모터도 프로토타입 제조 및 성능 테스트를 완료하고 테스트 인증 단계에 들어섰다. 연구팀은 교묘한 설계를 통해 다중 병렬 분기회로 파형 코일 배치 토폴로지 문제를 해결했고 냉각 및 용접 파라미터를 조절했으며 얇은 플랫 와이어 모터 코일 제조 어려움을 극복했고 모터 극수 및 회전속도를 향상시켰다. 뿐만 아니라 모터의 체적을 감소시키고 구리선, 규소강판 등 재료 사용량을 줄였으며 단위 출력 소모품을 감소시키고 가격대성능비를 향상시켰다. 이를 기반으로 3세대 연가 도체 코일 모터 개발도 이미 가동했다.

신에너지차 전기구동에서 영구자석 모터가 차지하는 비율은 약 90%이다. 영구자성체에 디스프로슘, 터븀 등 중희토를 첨가하면 잔자성을 보존할 수 있을 뿐만 아니라 보자력을 향상시킬 수 있다. 하지만 희토류 광물에 중희토의 저장량이 비교적 적다. 신에너지 전기자동차의 보급 및 희토류 영구자석 모터의 대규모 생산과 함께 중희토는 자원부족 문제에 직면하게 된다. 부분 선진국은 이미 중희토 함량이 낮은 영구자성체를 모터 제품에 사용하고 있다.

차이웨이는 옌타이(煙臺)서우강(首鋼)재료주식유한회사와 공동으로 도핑기술 및 격자 세밀화 기술을 개발하여 중희토 사용량을 최대로 50% 감소시켰다. 뿐만 아니라 결정입도 세밀화 및 미세구조 일치성 공법을 이용하여 35EH 자성체 규모화 생산에 수요되는 디스프로슘 함량을7wt%~8wt%에서 5wt%로 감소시킴으로써 중희토 사용량을 20%이상 절감시켰다. 동시에 미세분말 공법 및 확산 공법을 결합하여 42EH 자성체의 터븀 함량을 8wt%에서 4.5wt%로 감소시킴으로써 중희토 사용량을 40%~50% 절감시켰다.

신에너지차의 핵심인 구동모터에는 많은 마그넷 와이어가 있다. 마그넷 와이어와 절연재료가 모터 작동 과정의 고전압, 고온, 고전압 변화율에 견디지 못할 경우 고장이 발생해 모터 사용 수명을 감소시킨다.

차이웨이는 쑤저우(蘇州)쥐펑(巨峰)절연재료유한회사(이하 쥐펑으로 약칭)와 공동으로 나노입자와 바니시 클로스 와이어용 바니시 수지 복합 기술을 이용하여 나노입자가 바니시 클로스 와이어용 바니시 수지에서 분산되기 어려운 기술 문제를 해결하여 균일 분산된 나노 분산액을 제조함으로써 코로나 내성바니시 클로스 와이어용 바니시 수지 제조에 성공했다.

쥐펑이 개발한 코로나 내성 폴리에스터이미드 함침 수지는 200℃를 초과하는 온도에서 장기적으로 사용할 수 있다. 해당 함침 수지를 이용하여 개발한 코로나 내성 바니시 클로스 플랫 와이어의 코로나 내성 실험 수명은 90시간을 초과한다. 코로나 내성 바니시 클로스 원형 와이어의 코로나 내성 수명이 100시간을 초과할 경우 국제표준 요구의 10배 이상에 도달한다.