전기차 모터 WRSM 분석 (Wound Rotor Synchronous Motor) [이론과 특징, 장단점]

 

WRSM (Wound Rotor Synchronous Motor)란?

 

 사실 전기차에서 SM을 쓰는 것은 동력적인 부분에서 다상 전기모터를 활용하는 것은 이미 고정된 이론이고 현제에 와서는 IPMSM이 대세화 되고 있다 하지만 BMW는 브러시를 사용한 다른 길을 가겠다고 발표했는데 이것이 바로 WRSM이다

우선 떠올리기 힘들다면 아래의 사진을보자

 

사진만 보면 어렵게 생각할 주제는 아니고 그냥 자석을 전자석으로 대체하여 양쪽에 전기를 흘려 동력을 전달하는 정도로 이해하면 편하다. 뭐 커뮤테이터 대신 슬립링을  활용했다 정도로 이해하자 

 

장점

장점이 생각보다 많은데 크게 3가지로 정리할 수 있다.

1. 희토류 리스크 해방
2. 제어 난이도의 감소
3. 저속 고토크 활용가능

1. 희토류 리스크 해방

이전에 네오디뮴자석의 특징과 희토류가 중국의 영향을 많이 받는다는 글을 쓴 적이 있다.

 

전기차 모터에 사용되는 네오디뮴 자석 특징

 

하지만 실제 WRSM의 구조를 보게 되면 아래와 같은 형상을 지니게 되는데

 

순수하게 동선만을 활용한 모터라 가격리스크적인 측면이 굉장히 적다 이에 따라 제어기술로만 이를 활용할 수 있다면 전기차 대량생산 시 단가를 낮출수도 있다는 확실한 장점이 존재한다.

 

물론 현대에 가까이와 서는 PMSM의 경우도 희토류 사용량을 극한까지 낮췄기에 별로 의미 없는 장점이 아니냐는 시선도 있고 희토류 리스크 때문에 활용하지 않는다는 건 바보 같은 소리가 맞고 장점에 넣기는 애매하지만 우선은 주장에는 신빙성이 있으니 생각은 해두자.

2. 제어 난이도의 감소 및 효율성 증대

 스테이터와 로터 그리고 브러시와  정류자로 이루어져 자석에 직류를 제공하고 속도별로 최적화된 전류를 제공한다면?

아래에서 설명한 적 있는 PMSM의 똥꼬쇼인 약계자 제어를 할 필요성이 없다. 그저 자석의 세기를  조정해 버리면 최적점을 바로바로 맞출 수 있으니까

 

전기자동차 모터 기술 약계자 제어의 활용 과 최적 운전점 찾기

 

 약계자 제어는 윗글을 참조해 주시고 애초에 약계자제 어나 각도제어의 특성은 영구자석이 존재하므로 역기전력을 제어하지 못하는 대안으로 제시 후 세부 전류제어를 위해 2 스테이지 인버터를 활용하면서 극한의 자속제어를 하는 일반적인 차종에 비해 굉장히 간단하게 처리할 수 있다.

 

실제로 이러한 특징들 덕분에 제어난이도가 감소한고 효율성이 올라가며 그만큼 실제 사용할 때 3~5% 정도는 전력량이 감소한고 주행거리의 증가 가능성에 대해서는 충분히 동감할 수 있다.

3. 저속 고토크 활용가능

 

자 생각해 보자 자동차 제조사들이 왜 어떤 전기 차는 2개 3개부터 심지어 4개의 모터를 사용하는 걸까? 

 

애초에 일반 운전자들한테 그런 게 필요한 걸까?

 

힘이 충분하나면 단일 구동모터로나 2개 정도만 사용하면 되는 거 아닐까?라는 생각을 해본 적이 있을 것이다.

 

사실대로 말하면 PMSM의 경우 제작당시부터 딱 최적효율 구간이 정해지고 단일 감속기를 사용하는 것이 솔직히 효율이 구린구간이 존재한다. 일반적으로 광고하는 스펙상 뛰어난 모터라도, 모든 영역에서 좋지는 않고, 최고 효율 구간에서만 좋기 때문에, 운행 시 이 구간을 벗어나면 효율이 감소하는 것이 사실이다.

 

또한 최적효율 구간 안에서만 운전한다면 아무 문제없고, 최고의 효율과 수명을 유지할 수 있지만, 일반적인 운전 상황에서 이론적 운전은 기계나 하는 것이지 불가능하다

 

그래서 최근의 전기차 모터의 동향은 듀얼모터를 쓰면서, 가속형 모터와 항속형 모터를 구분하는 방식이나

멀티스테이지 인버터를 써서 용도별로 전력 효율을 높이는 노력을 하는 여러 가지 보조 기술을 활용한다. 

가능하다면 모터의 넓은 회전수 구간에 걸쳐 최대한 높은 효율을 내는 것이 좋겠지만 PMSM은 그것이 불가능하고 WRSM은 이론적으로 효율을 높이는 것이 가능하다.

 

 

자여기까지가 BMW가 WRSM을 택한 기저논리로 보면 된다 실제로 한기사를 보면 아래와 같은 기사를 볼 수 있는데

13년 i3의 하이브리드 아키텍처의 PMSM에서 2020년 소형의 BEV용 5세대 파워트레인을 위한 EESM으로 이동했는데, 그 결과 모터 속도는 11,400 rpm에서 16,000 rpm으로, 출력과 토크는 125 kW/250 Nm에서 90~300 kW/200~500 Nm로 대폭 향상됐다. 중량을 48.4 kg으로 유지하면서 전력밀도를 30% 늘렸다. 

출처: AEM (https://www.autoelectronics.co.kr)

사실여부는 차처해 두더라도 13년도와 20년도를 비교하는 건 좀 치사한 거 아닌가 싶기도 하다.

 

(극수부터 기술발전 헤어핀권선 점적률 증가까지 얼마나 많은 기술이 발전했는데 7년 전 거랑 비교하다니)

 

단점

장점을 이야기했으니 이에 상응하는 단점을 이야기해 보자, 장점만 보면 이러한 좋은 모터를 다른 회사는 멍청해서 사용을 안 하는 건가?라는 생각이 들고 왜 안 쓰나 생각이 들지만 단점이 생각보다 치명적이다. 하나하나 이야기해 보자

 

1. 출력밀도와 토크밀도의 부족
2. 구조의 복잡성
3. 유지보수문제 및 수명의 제한

출력밀도와 토크밀도의 부족

 실제로 WRSM은 우리나라에서 꽤나 많이 연구하던 모터의 일부로 한양대학교에서 연구를 많이 진행한 걸로 알고 있다. 이러한 모터에 대한 비교모델 수치만 봐도 동일 크기로 제작했을 때 기본토크가 떨어지는 현상을 확인할 수 있다.

 

출처 -The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 61, No. 11, pp. 1595～1600, 2012

 

동일스펙으로 제작할 때 토크가 딸린다? 말 그대로 모터의 무게증가 차지하는 공간증가부터 시작해서 따라오는 수많은 문제들은 어렵지 않게 여러분도 떠올 리 수 있을 거다. 자세한 이야기는 다음글에서 해보기로 하자.

 

구조의 복잡성

 

구조가 복잡하다는 것은 그만큼 수많은 문제를 유발할 가능성이 높다. 실제로 고속회전 시 영구자석의 산발항산 산에 대한 대안으로 IPM이 대두된 것처럼 우선은 모터에서 권선의 소손문제는 흔하게 발생하는 문제다.

 

뿐만 아니라 여기에 수많은 문제들이 따라오는데 이건 차처 하더라도 브러시를 활용한 방식은 정말 구조적인 한계점이 너무나 많은 방식이다. 외부충격이나 수명한계 구조적 자체의 한계는 아직은 기술적으로 극복이 힘든 단계니까 말이다. 

 

유지보수문제 및 수명의 제한

 

브러시를 물리적인 접촉을 사용한다는 말하나로 그냥 게임이 끝나버렸다. 물리적 접촉으로 인한 회전은 아무리 잘 만들어도 미세분진문제를 야기할 수밖에 없으며 그게 차량 모터에서 발생한다? 이걸 더설명할 필요성도 없을 것이다.

 

심지어 이러한 과정에서 따라오는 것이 추가적으로 브러시를 교체할 필요성이 있는 시점에서 수많은 고장 문제부터 조립 문제까지 끝없는 전쟁을 해야 할 것이다.

 

실제로 BMW는 보증기한을 짧게 잡은 점이 이를 반증한다. 

결론

 

사실 많은 제조사들이 안쓰는이유는 위의 장점에대비해 단점들이 너무 크리티컬 해서라는것이 메인논지이다(실제로 현대차나 테슬라도 연구중인주제다.)

 

그렇다고 해도 이러한 문제들을 해결할려는 노력이 존재하는데 그렇다면 실제 PMSM과 WRSM이 어느방향으로 나아갈지에 대해서는 다음글에서 한번 이야기해보자

 

[전기차 모터 동향]BMW는 왜 WRSM을 택했는가? [WRSM IPMSM 장단점 비교]