전기차 모터의 자기 손실을 줄이는 신소재 연구

전기차 모터의 자기 손실을 줄이는 신소재 연구

전기차(EV)의 핵심 부품 중 하나는 구동 모터입니다. 이 모터는 전력 변환 과정에서 많은 에너지를 소비하며, 손실 에너지가 발생하게 됩니다. 특히 자기 손실은 전기차 모터 효율을 저해하는 중요한 요소입니다. 자기 손실을 줄이기 위한 다양한 신소재 연구가 진행 중이며, 이를 통해 전기차의 성능과 주행 효율성을 높이는 방안이 모색되고 있습니다.

1. 자기 손실이란 무엇인가?

• 자기 손실(Magnetic Loss)은 전기모터에서 발생하는 손실 중 하나로, 철 손실(철손)과 히스테리시스 손실로 구분됩니다. 철손은 모터 코어에서 발생하는 와전류(Eddy Current)로 인해 생기며, 히스테리시스 손실은 자속의 변화로 인해 발생합니다. 이러한 자기 손실은 모터의 회전 속도에 비례하여 증가하며, 특히 고속 주행 시 큰 영향을 미칩니다.

a. 철 손실

철 손실은 전도체 내부에서 발생하는 와전류로 인한 손실입니다. 자속이 변화할 때, 철심 내부에서 와전류가 발생하게 되고, 이로 인해 열이 발생하면서 에너지가 손실됩니다. 철 손실은 코어 소재의 전기 저항이 낮을수록 증가합니다.

b. 히스테리시스 손실

히스테리시스 손실은 자속이 변화할 때 발생하는 자기 저항으로 인해 생기는 손실입니다. 자속 밀도의 변화에 따라 자화가 반대로 변할 때, 히스테리시스 곡선에서 에너지 손실이 발생합니다. 이 손실은 모터의 주파수와 관련이 깊습니다.

2. 자기 손실 감소를 위한 신소재 연구

전기차 모터의 자기 손실을 줄이기 위해 다양한 신소재가 연구되고 있습니다. 고실리콘 전기강판, 비정질 합금, 나노 결정합금 등이 대표적인 예입니다.

a. 고실리콘 전기강판

고실리콘 전기강판은 실리콘 함량이 높은 철-실리콘 합금입니다. 실리콘은 철의 전기 저항을 높여 와전류를 줄이고, 히스테리시스 손실을 감소시키는 효과가 있습니다. 이 소재는 전기 모터의 효율성을 높이는 데 널리 사용되고 있습니다.

b. 비정질 합금

비정질 합금은 비결정 구조를 가진 금속 소재로, 자기 저항이 낮고 철손이 적습니다. 비정질 합금은 와전류 손실이 거의 없으며, 히스테리시스 곡선이 좁아 히스테리시스 손실이 적습니다. 따라서 고속 모터에 적용할 경우 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

c. 나노 결정합금

나노 결정합금은 나노미터 크기의 결정 구조를 가진 합금 소재입니다. 이 소재는 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 동시에 줄일 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 나노 결정합금은 전자기적 특성이 뛰어나며, 고출력 전기 모터에 적용할 경우 에너지 손실을 크게 줄일 수 있습니다.

3. 자기 손실 감소 기술의 응용

a. 고속 전기차 모터

고속 전기차 모터에서는 주행 속도에 따라 모터의 회전수가 증가하게 되는데, 이로 인해 자기 손실이 급격히 증가합니다. 이를 해결하기 위해 비정질 합금과 같은 신소재를 활용한 모터 코어 설계가 도입되고 있습니다. 비정질 합금은 와전류 손실을 최소화하여 고속 주행에서도 효율성을 유지할 수 있습니다.

b. 인휠 모터 시스템

인휠 모터는 차량 휠 내부에 직접 장착된 모터로, 소형화와 고출력이 요구되는 환경에서 사용됩니다. 이 경우 자기 손실을 줄이기 위해 나노 결정합금이 사용됩니다. 나노 결정합금은 가벼우면서도 강도가 높아, 인휠 모터의 무게를 줄이고 효율성을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

c. 전기차 파워트레인 설계

전기차의 파워트레인 설계에서는 고실리콘 전기강판이 많이 사용됩니다. 고실리콘 전기강판은 히스테리시스 손실이 적어, 주행 중 발생하는 열을 줄이고 효율성을 높이는 효과가 있습니다. 이를 통해 배터리의 소모를 줄이고, 전기차의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.

4. 결론

전기차 모터의 자기 손실을 줄이기 위한 신소재 연구는 전기차의 효율성을 높이는 중요한 요소입니다. 고실리콘 전기강판, 비정질 합금, 나노 결정합금과 같은 소재는 자기 손실을 크게 줄여 모터의 성능을 향상시키고, 전기차의 주행 효율성을 높이는 데 기여하고 있습니다. 앞으로도 다양한 신소재와 기술 개발이 이어질 것으로 예상되며, 이를 통해 전기차의 성능과 효율성은 더욱 향상될 것입니다.