1. 서 론

최근 화석 연료 사용으로 인한 환경오염을 억제하기 위해 전 세계적으로 시행되고 있는 친환경 탄소 저감 정책으로 인해 산업 전반에 걸쳐 탄소 저감 기술이 요구되고 있으며 자동차 산업 또한 이로 인해 대대적인 전환점을 맞이하고 있다. 기존의 내연기관 자동차를 대체하는 전기자동차 시장이 확대되고 이와 관련된 기술 개발이 이루어지고 있다. 특히 전기자동차에서 주요 동력원 역할을 하며 내연기관의 엔진과 같은 구동 유닛의 연구가 활발히 진행되고 있다^[1].

구동 유닛은 일반적으로 전기 모터와 감속기, 인버터로 구성된 구조로 되어 있다^[2]. 그중 동력을 발생시키는 전기 모터의 설계는 구동 유닛 설계에 있어 핵심 설계 인자이며 정밀한 설계 및 성능이 요구된다.

구동 유닛용 전기 모터의 경우 자동차의 제한적인 엔진 룸의 크기로 인해 소형, 고출력화가 필요하고 자동차의 고속의 속도 구동 영역으로 인해서 이를 만족하게 할 수 있는 전자기적, 기구적 설계가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서 설계한 전기 모터는 소형, 고출력 설계를 위하여 점적율을 극대화하여 설계할 수 있는 헤어핀 권선을 적용한 고정자를 설계하였다^[3]. 또한, 릴럭턴스 토크를 활용하여 고출력 및 고속 성능 구현에 유리하고 영구자석이 회전자 철심 내부에 위치하여 별도의 비산 방지 구조가 필요 없어 기구적으로 고속 구동에 유리한 매입형 영구자석 구조를 회전자 구조로 채택하였다^[4].

본 연구에서는 유한요소해석으로 구동 유닛용 전기 모터의 무부하 및 부하 상태의 성능과 고속에서의 구조 강도 해석을 시행하였고, KS 시험규격에 따른 성능 실험을 통해 이를 검증하였다. 해석 결과와 실험 결과의 비교 분석을 통하여 구동 유닛의 설계 프로세스 검증을 시행한다.

2. 구동 유닛용 전기 모터 설계

본 연구에서 설계 및 제작 검증된 구동 유닛은 150 [kw]급 출력을 가지며 입력 및 출력에 관한 상세 제원은 표 1에서 확인 할 수 있다.

전기자동차용 구동 유닛은 일반적으로 그림 1과 같이 전기 모터, 감속기, 인버터의 3 in 1 구조로 구성되어 있다^[5][6]. 그 중 전기 모터는 구동 유닛의 동력원의 역할을 하며 발생한 출력을 감속기를 거쳐 자동차에 전달하게 된다. 본 연구에서는 이러한 역할을 가진 전기 모터를 설계하기 위해서 유한요소 해석을 통하여 무부하 및 부하 상태의 전자장 특성을 해석한다. 그리고 고속 구동에서의 기구적 변형 및 파손을 예측하기 위해 기구 강도 해석 또한 실시한다.

그림 1. 구동 유닛의 구조

Fig. 1. Structure of drive unit

2.1 전자기적 특성 분석

전기 모터의 기본 특성인 무부하 특성의 역기전력 해석과 자속 밀도 및 자속 선도를 해석하여 그림 2와 그림 3에 나타내었다. 무부하 특성 해석을 통해서 출력의 기본 특성이 되는 역기전력 상수를 확인하고 자속 밀도와 자속 선도의 해석을 통해 설계에 적합한 자로의 포화도 및 유효성을 확인하였다. 해석된 역기전력 값은 그림 4의 역기전력 측정 실험을 통해서 검증하였으며 해석 값과 1% 내외의 오차 범위 내의 값을 확인하였다.

전기 모터의 최대 부하 특성을 확인하기 위해 기저 속도에서의 토크 및 출력 특성의 해석을 시행하였다. 그림 5에서 최대 토크 특성을 확인하였고 구동 조건은 기저 속도 4,500[rpm], 전류 위상각 40[deg.]이며 해석 결과를 통해 최대 토크 320[Nm], 토크 리플 2.1[%] 수준의 부하 특성을 확인하였다.

전기자동차용 전기 모터는 10,000[rpm] 이상의 넓은 구동 영역을 가지는 모터이기 때문에 전 구동 영역에서의 토크 및 출력 특성 해석도 설계 과정에 필요한 요소이며 이를 그림 6에 나타내었다. 입력 조건 전압 800[VDC], 전류 250[A]이며 최대 속도 16,000[rpm]까지의 속도별 토크 및 출력 특성을 확인하였다. 설계된 모터의 출력 특성은 최대 출력은 150[kW], 연속 출력은 75[kW]이며 최대 속도까지 구동할 수 있음을 해석을 통해 확인하였다. 단, 일부 고속 및 고출력 영역에서는 전압 제한으로 인해 출력이 제한되는 지점도 존재하지만, 이는 실제 자동차의 구동 영역에 해당하는 구간이 아님을 고려한다.

그림 2. 역기전력 해석

Fig. 2. The analysis of back EMF

그림 3. 무부하 자속 밀도 및 자속 선도

Fig. 3. Flux density and flux line on no-load

그림 4. 선간 역기전력 측정 실험

Fig. 4. Line to line back EMF measurement experiment

그림 5. 최대 토크 특성

Fig. 5. The characteristic of peak torque

그림 6. 속도별 토크 및 출력 특성 곡선

Fig. 6. Torque and output characteristic curves by speed

2.2 기구적 강도 측성 분석

설계된 전기 모터의 최대 속도는 16,000[rpm] 고속 회전을 해서 구조적 강도 안정성이 요구되며^[7] 이를 확인하기 위해 유한요소 해석을 통한 강도 해석을 시행하였다. 강도 해석을 위해서는 회전자 철심과 영구자석의 Young’s modulus와 Poisson ratio, 밀도가 필요하며 이를 표 2에 나타내었다.

회전자 철심과 영구자석의 최대 응력은 해석 결과는 표 3과 그림 7에서 확인 할 수 있다. 매입형 영구자석 구조에서 철심의 경우 자속의 누설을 차단하기 위한 자속 장벽의 얇은 구조가 필요하게 되고 이로 인해 응력이 높은 구조가 발생하기 때문에 자속 장벽의 형상 설계를 통해 응력을 저감 하는 구조가설계되어야 한다^[8]. 또한, 영구자석의 경우 철심과의 접점에서 응력이 상승하며 이는 자석의 각도 및 위치의 변경, 자속 장벽 형상 변경 등을 통해 저감 설계를 하여야 한다. 본 연구의 설계 된 전기 모터는 이러한 설계를 적용하여 철심과 영구자석의 안전율을 본딩 조건을 제외한 조건에서 각 1.1 이상 설계하여 안정적인 회전자 강도가 확보됨을 확인하였다.

그림 7. 회전자와 영구자석 강도 해석

Fig. 7. Rotor and permanent magnet strength analysis

표 2 강도 해석 제원

Table 2 Strength analysis specifications

항목	Young's modulus [Gpa]	Poisson ratio	밀도 [kg/dm3]
철심	180.0	0.30	7.65
자석	160.0	0.24	7.50

표 3 재질 및 강도 해석 결과

Table 3 Materials and strength analysis result

항목	재질	인장항복강도 [Mpa]	최대응력 [Mpa]	안전율
철심	27PNX1350F	420	383.9	1.10
자석	N48EH	78.5	70.5	1.12

2. 구동 유닛용 전기 모터 설계

전기자동차용 구동 유닛은 일반적으로 전기 모터, 감속기, 인버터로 구성되어 있다. 그림 8은 전기 모터의 회전자 어셈블리와 고정자 어셈블리를 제작한 것은 나타낸다. 회전자 어셈블리는 영구자석, 철심, 샤프트의 조립으로 구성되고, 고정자 어셈블리는 철심과 헤어핀 권선으로 구성되어 있다.

그림 9는 offset-type 감속기 단품인 Input, Idle 및 Output 기어 각각의 비틀림에 의한 샤프트 강도와 변위를 산정한 결과 및 제작된 단품과 조립된 감속기 어셈블리를 나타낸다. 그림 10은 최종 제작된 회전자, 고정자, 감속기, 인버터 어셈블리 형상과 일체형으로 조립 완성된 구동 유닛을 나타낸다.

그림 8. 회전자 및 고정자 어셈블리 제작

Fig. 8. Rotor and stator assembly production

그림 9. 감속기 어셈블리 제작

Fig. 9. Reducer assembly production

그림 10. 구동 유닛 제작

Fig. 10. Drive unit production

4. 구동 유닛 성능 실험

구동 유닛용 전기 모터의 특성 실험은 감속기와 결합한 구동 유닛의 상태로 측정한다. 그림 11은 구동 유닛의 성능을 측정하는 파워트레인 다이나모와 성능 실험을 위해 다이나모에 안착한 구동 유닛을 나타낸다. 구동 유닛의 부하 구동 특성은 “KS R 1203 도로 차량 – 전기동력 자동차용 인버터 구동형 전동기의 개별 효율 시험방법”에 준하여 실험하였으며 이 실험 방법에 따른 시험 측정 지점을 그림 12에 효율맵 해석 값과 함께 나타내었다. 실험 지점은 총 12지점으로 최대 출력 지점(홀수 지점) 및 1/2 출력 지점(짝수 지점) 2가지로 분류된다. 효율맵은 동손과 철손이 포함된 효율로 해석되었으며 기계손은 제외되었다.

구동 특성 실험의 결과는 표 4에서 확인 할 수 있으며 실험이 구동 유닛 상태로 진행되었기 때문에 측정된 토크 및 속도 값은 전기 모터와 감속기가 결합한 구동 유닛의 출력이므로 측정 기준값은 전기 모터 설곗값에 감속기 기어비 11.146과 감속기 평균 효율 97%를 적용하여 선정하였다.

설계된 전기 모터의 특성은 기어비를 적용하여 각 측정 지점의 기준값으로 선정하였다. 실험 결과 측정값은 기준값 동등 이상으로 측정되었으며 상세 측정값은 그림 13의 실험 세부 측정값을 통해 확인할 수 있다. 측정된 토크 및 속도 값은 구동 유닛 상태의 측정값이고 효율은 인버터 입력과 구동 유닛의 출력을 통해 계산된 시스템 전체의 효율이다. 또한, 최대 속도 16,000[rpm] 특성을 측정함으로써 기구 강도 해석의 안정성을 간접적으로 확인하였다.

그림 11. 구동 유닛 특성 시험기

Fig. 11. Drive unit characteristic tester

그림 12. 부하 특성 측정 지점 및 효율맵 해석

Fig. 12. Measurement point on load characteristic and efficiency map analysis

그림 13. 구동 특성 실험 세부 측정값

Fig. 13. Raw data of driving characteristics experiment

5. Conclusion

본 연구에서는 150[kW] 구동 유닛의 CAE 해석을 통해 전자장 및 기구 설계를 수행하여 결과를 도출하였고 이를 실제 구동 유닛 제작 및 실험을 통해 검증하였다. 전자장 해석은 무부하와 부하 특성을 해석하였고, 기구 해석은 최고 속도에서의 강도 해석을 수행하였다. 설계된 전기 모터의 특성은 전기 모터, 감속기, 인버터를 포함한 구동 유닛으로 제작하여 실험을 통해 특성을 검증하였다. 이러한 설계 및 실험 프로세스의 실험적 검증을 통해 향후 구동 유닛용 전기 모터 설계를 위한 프로세스의 정밀도를 향상하였다.