혁신적인 섬유 강화 열경화성 하우징, 전기차 모터 열 문제 해결

직접 냉각 개념으로 폴리머 모터 하우징 실현, 출력 밀도와 효율 대폭 향상

전기차 경량화에는 모터 무게 감량도 포함됩니다. 이를 위해 섬유 강화 폴리머 소재로 모터를 제작하는 시도가 있습니다. 프라운호퍼 화학기술연구소(ICT) 연구진은 카를스루에 공과대학(KIT)과 협력해 폴리머를 모터 하우징 소재로 사용할 수 있는 새로운 냉각 개념을 개발 중입니다. 이 냉각 개념은 단순히 소재 변경만이 아니라, 기존 기술 대비 모터의 출력 밀도와 효율을 크게 높이는 장점도 있습니다.

전기 구동계의 두 핵심 부품은 전기 모터와 배터리입니다. 전기차를 위한 모터 사용 시 특히 중요한 세 가지 이슈는 높은 출력 밀도, 전기차 내에 콤팩트하게 장착 가능한 구성, 높은 효율입니다. DEmiL 프로젝트(직접 냉각식 전기 모터 및 통합 경량 하우징의 독일어 약자)의 일환으로 프라운호퍼 ICT(핀츠탈) 연구진은 KIT의 차량 시스템 기술 연구소(FAST) 및 전기 공학 연구소(ETI)와 함께 고정자(stator)와 회전자(rotor) 직접 냉각을 통합한 새로운 접근법을 개발하고 있습니다. "전기 모터는 회전하는 로터와 정지한 스테이터로 구성됩니다. 스테이터에는 전기가 흐르는 구리 권선이 있는데, 이곳에서 대부분의 전기 손실이 발생합니다. 우리 새 개념의 참신함은 스테이터에 있습니다."라고 프라운호퍼 ICT 연구원 로베르트 마르텐스(Robert Maertens)는 설명합니다.

원형 와이어를 평각 와이어로 교체

전기 모터는 90% 이상의 고효율을 가지며, 전기 에너지의 대부분이 기계 에너지로 변환됩니다. 나머지 10% 정도는 열로 손실됩니다. 현재는 스테이터의 열을 금속 하우징을 통해 냉각수 채워진 냉각 슬리브로 전도해 과열을 방지합니다. 이 프로젝트에서는 원형 와이어를 스테이터에서 더 촘촘하게 감을 수 있는 평각 와이어로 교체했습니다. 이로 인해 평각 와이어 권선상 옆으로 냉각 채널 공간이 생겼습니다. "이 최적화 설계에서는 열 손실이 스테이터 내부 냉각 채널을 통해 직접 방출되어, 금속 하우징을 거쳐 외부 냉각 슬리브로 열을 전달할 필요가 없습니다. 사실 이 개념에서는 냉각 슬리브가 전혀 필요 없습니다. 열 관성 저감, 모터 연속 출력 향상 등 추가 이점도 있습니다."라고 마르텐스는 새 시스템의 장점을 설명합니다. 또한 새로운 설계에는 로터 냉각 솔루션도 포함되어 로터의 열 손실도 모터 내부에서 직접 방출할 수 있습니다.

열 발생 지점 근처에서 열을 방출함으로써, 프로젝트 파트너들은 모터와 하우징 전체를 폴리머 소재로 제작할 수 있게 되었고, 이는 추가 이점을 가져옵니다. "폴리머 하우징은 경량이고 알루미늄 하우징보다 제작이 쉽습니다. 후가공 없이 복잡한 형상 구현이 가능해 전체 중량과 비용에서 실질적 절감 효과가 있습니다."라고 마르텐스는 말합니다. 현재 열전도체로 쓰이는 금속을 폴리머 소재로 대체할 수 있는데, 폴리머는 금속 대비 열전도율이 낮습니다.

프로젝트 파트너들은 프로젝트 파트너 스미토모 베이클라이트(SBHPP)의 고온 내성과 공격적 냉각수에 대한 높은 내성을 가진 섬유 강화 열경화성 플라스틱을 선택했습니다. 열가소성과 달리 열경화성 수지는 화학 물질 접촉 시 팽창하지 않습니다.

대량 생산에 적합한 공정

폴리머 하우징은 페놀 몰딩 컴파운드 비엔콜릿(Vyncolit) X7700을 사용한 자동 사출 성형 공정으로 생산됩니다. 시제품 제조 사이클 타임은 현재 4분입니다. 스테이터 자체는 열전도성 에폭시 수지 몰딩 컴파운드(스미콘 EME-A730E)로 트랜스퍼 몰딩 공정에서 오버몰딩됩니다. 연구진은 전기 모터의 설계와 제조 공정을 대량 생산이 가능하도록 선택했습니다.

팀은 이미 스테이터 조립을 완료하고 냉각 개념을 실험적으로 검증했습니다. "시뮬레이션에 따라 실제 운전 시 구리 권선에서 발생할 열량을 전류로 주입했습니다. 예상 열 손실의 80% 이상을 이미 방출할 수 있음을 확인했습니다. 나머지 20% 미만의 열 손실 처리를 위한 유망한 접근법도 확보했는데, 예를 들어 냉각수 흐름 최적화 등이 있습니다. 현재 로터 조립 단계에 있으며, 곧 전기공학연구소 시험대에서 모터를 가동해 실운전 조건에서 검증할 예정입니다."라고 마르텐스는 프로젝트 현황을 요약합니다.

본 포스트는 CompositesWorld 와 Springer lightweight.design magazine 미디어 파트너십 제공입니다. Springer 및 lightweight.design 관련 정보는 https://www.springerprofessional.de/en/link/12141380 참조.