[전기차 모터 개발동향] 테슬라의 신기술 카본 슬리브 모터 분석

 

 

21년도쯤이었을까? 테슬라에서는 모델 s에 카본슬리브 모델을 적용했다는 발표를 하였다.  기존 모터가 원형으로 내부로 터를 찍어낸 데 반해 아래와 같이 조립하겠다는 발표였다.

Investigation of permanent magnet synchronous machines with buried magnets and carbon fiber sleeve for automotive application

 

 일단 가능성이있는가 차처해두더라도 이미 양산을 하고도, 꽤나 말이 많았다. IPM으로 간 이유가 고속회전 시 원심력으로 인한 자석의 산발(튀어져 나감)과 토크를 극한까지 끌어내기 위한 시도였음에도 머스크는 저런 조립방식의 위험성을 기존 카본섬유로 대체할 수 있을 것이라 판단했으니 말이다.

 

전기자동차 모터에 열이 발생하는 이유는? feat. 모터 손실 종류

 

모델 S로터의 적층전 철판-출처 먼로라이브

 

 로터에서 열이 발생하는 이유 중 하나인 와류손을 해결하기 위해서는 적층구조를 포기할 수 없었을 테지만, 카본섬유로 유격을 줄여 누설자 속을 잡겠다는 건데 모터를 공부한 사람으로서는 여러 가지 의문이 든다. 저렇게 만드는데 유격이 안 생기고 누설자 속이 안 생기나? 카본슬리브로 감싸면 유전율 변동이 생길 텐데 세부적인 진동이나 변수를 어떤 방식으로 잡은 거지 등등 수많은 논란이 나왔지만 관련 연구가 진행되자 꽤 흥미로운 반론들이 등장했다. 외국논문에서는 크게 3가지를 문제점으로 지적했는데

• Load due to the pre-stress of the sleeve (press fit)
• Load due to the additional expansion during rotor heating
• Load due to the elongation of the sleeve by the centrifugal force

이걸 한국어로 번역하자면

• 슬리브의 사전 응력에 의한 하중
• 로터 가열 중 추가 팽창으로 인한 부하
• 원심력에 의한 슬리브의 신장으로 인한 하중

정도로 좀 더 직관적으로 말하자면 너 그만큼 튼튼해? 열에 강해라는 질문이었다. 솔직히 카본섬유자체가 우주에서 사용되는 만큼 열에는 강할 거라는 예상은 어느 정도 했지만 실제 테스트 결과는 생각보다 충격이었다.

Investigation of permanent magnet synchronous machines with buried magnets and carbon fiber sleeve for automotive application

 

물론 멕스웰을 활용한 데이터는 아니지만 생각보다 자기장 분포나 누설자 속 문제가 깔끔하게 잡히는 형태로 나와서(물론시뮬레이션이지만) 많은 사람들이 충격을 받았었고 실제 무부하 시물레이션 데이터를 살펴보면 

Investigation of permanent magnet synchronous machines with buried magnets and carbon fiber sleeve for automotive application

 

슬리브 가 있을 때 오히려 더 이상적인 형태가 나옴을 확인할 수 있었다. 생각보다 충격적인 결과 긴 했다 심지어 약가자 제어범위가 넓어지고 공극이 증가함에도 누설자석이 오히려 줄어든 다는 결과치를 보며 대체 뭘 만든 거지 내상식이 박살 나는듯한 느낌을 받았다(박사님과 이야기해 보니 아이디어는 나왔는데 옛날에는 양산가능성이 없었다 는 이야기를 하더라)  

 

어쨌든 사고위험성이나 논란은 안 터지는 걸로 보아 우리의 기우나 걱정 보다. 잘 만든 모터가 맞고 점점 모터의 연구주제가 넓어지는 것으로 보아 어떤 모터가 등장할지 정말 기대되는 상황이니 필자와 한번 지켜보도록 하자.