전기차 모터의 적층 길이와 효율의 관계

 

전기차(EV) 모터의 설계에서 효율을 최적화하는 것은 전력 소비를 줄이고, 주행거리를 늘리며, 전반적인 성능을 향상하는 핵심 과제다. 심지어 효율이 낮을수록 발생하는 열이 높아지기에 최적효율점과 운전점을 찾는 것은 엔지니어들의 오랜 과제였다.

 

 실제로 전동기 내에서 발생하는 손실은 크게 두 가지로 나누는데 이는 동손(copper loss)과 철손(iorn loss)로 이 두 손실은 모터의 적층 길이 (Stack Length) 와 밀접하게 관련되어 있으며, 적층 길이의 변화에 따라 전동기의 효율이 어떻게 달라지는지 이해하는 것이 설계에서 매우 중요한 지표다.

 

동손(copper loss)과 적층 길이의 관계

동손은 모터의 코일에서 전류가 흐를 때 발생하는 저항으로 인한 손실이다. 이는 Joule 법칙에 따라 정의되며 다음과 같은 수식으로 정리된다.

 

여기서 중요한 것은 철손은 저항과 비례 관계로 일반적인 저항은 아래와 같은 수식으로 정의된다

 

이수식을 직관적으로 해석한다면 모터의 적층 길이 L이 증가하면, 코일의 전체 길이 l도 증가하여 저항이 늘어나지만 그만큼 전달할 수 있는 i의 값은 제곱배로커 진다 이에 따라 일반적으로 적층이 증가하면 동손이 감소함을 알아두자

 

철손( iorn loss )과 적층 길이의 관계

철손은 전동기의 코어에서 발생하는 손실로, 주로 히스테리시스 손실과 와류 손실로 구성된. 이 손실들은 자기장의 변화와 관련이 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

히스테리시스 손실

B_m은 최대 자속 밀도, f는 주파수, V는 코어의 부피로 적층 길이 L이 증가하면 코어의 부피도 증가하게 되어 히스테리시스 손실이 증가한다.

 

와류 손실

위에 내용과 동일하지만 t는 적층판의 두께로 와전류 손실을 저감하기위해 성층철판을 사용한다는 점에서 와전류 손실 또한 적층 길이 L에 비례하여 증가한다.

 

결론적으로 놓고말하면 철손은 적층길이에 비례 동손은 반비례관계를 가진다는 사실을 인지하자

 

 

 

여기서 이제 최적화를 하기 위에서는 동손의 감소율과 철손의 증가율이 같아지는 지점 즉 동선 철손이 일치하는 지점에서 효율이 최대가 된다.

 

물론 이를 알고있더라도 토크나 크기 제작스펙 요구조건에 따라 실제 최고효율이 아닌 모터를 활용하기도 하며 이를 단가 저감을 위한 시리즈로 출시하기도 한다.