안녕하십니까, 굴러간당 유령회원 gamjavas 입니다.

사실 IT 바닥에서 오래 일 하다가, 워낙 차를 좋아하기도 했던 제가, 전기차를 경험하게 되면서, 큰 영감을 얻게 되었고, 최근의 디지털 트윈 트렌드에 힘입어 컴퓨터만 있으면 이론 스터디에서, 설계, 시뮬레이션까지 기술적으로 가능해진 덕에 부족하지만 모터 개발을 하게 되었습니다. IT 기술 뿐 아니라, 정밀 가공기술, 금속 3d 프린팅, 신소재 개발 등 여러 기반 기술들이 최근 눈부시게 발전해 '그때는 맞지만 지금은 틀리다' 와 같은, 과거엔 불가능하리라 여겨졌던 것들이 새롭게 돌파구를 마련하기도 하고 해서 재미있게 도전해 나가고 있습니다.

그러다 갑자기 모 자동차 채널에 출연을 하게 되기까지 했습니다만, 당일 아침에 전화 한통 받고 바로 이동해서 도착하자 마자 찍은 영상이고, 따로 콘티같은게 없이 그냥 만담처럼 얘기를 해 나가다 보니 두서도 없고, 중언부언도 하고 해서 촬영 후 찜찜한 점이 좀 있었습니다. (게다가 전날 거의 철야를 한 상태에서 눈이 써금써금..ㅠ)

해서, 요즘은 좀 뜸하지만, 그래도 나름 창당발기인으로서 굴러간당의 시작을 함께했던 (썩은물) 애정으로, 여기에 변명? 혹은 넋두리를 좀 써 봅니다.

물론 제 전문 분야이자 관심 분야이기 때문에, 현재 상태에서 남보다 좀 더 많은 내용을 읽어보긴 했겠지만, 제가 아는게 전부 옳다는 얘기도 아니고, 제 진짜 전문분야와도 아주 살짝 거리가 있는 내용들도 다루다 보니, 실수나 잘못 알고 있는 내용이 있을 수 있습니다. 그런 건 지적해 주시면 한 수 배우겠습니다. 

왜 이런 밑밥을 깔고 시작하느냐? 저는 나름의 노력으로 습득한 비교적 최근 기술 트렌드를 기준으로 얘기를 할 겁니다. 그런데 예전 기술 방식으로는 불가능했던 부분이 있을 수 있고, 또 제가 알고 있는 것 보다 더 최신 기술이 있다면 제가 하는 얘기도 현재 기준으로는 틀린 얘기가 될 수 있기 때문이죠.

1.서두

분명 기존 기술을 개선하기 위해 만들었지만, 다른 단점도 있고, 그걸 극복하느냐 못하느냐가 중요한 것 같고요.

또 그 기술을 구현하는 완성도 못지 않게, 차량에서는 정비성을 고려한 설계도 중요할 것이고요...

그런 점에서, 현행 BMW 전기차에서 발생하는 현상은 명확히 원인이 규명 되고, 그에 따른 후속 조치가 있어야겠죠.

자동차는 탑승자의 생명을 좌지우지 할 수 있는 물건이기 때문에, 충분한 안심을 줄 수 있고, 실제로 안전해야 하니까요.

브러시의 분진 문제를 구조적으로 개선한다던지, 특정 기간 제조품만의 문제이므로 리콜로 해결 하고, 해당 부분에 대한 보증을 영구적으로 늘린다던지 하는 사후 관리가 당연히 필요하다고 생각합니다.

사실, 모터 안에서는 온갖 전기 자기 열 등 복잡한 물리현상들이 동시에 실시간으로 일어나기 때문에 이해하기 쉽지 않은게 사실입니다. 유투브 컨텐츠를 통해 나름 쉽게 설명하려고 노력했지만, 그러다 보니 풀어 설명하는데 정신이 팔려 놓친 부분도 있고, 시간 제약도 있고 해서 부족했던 부분에 조금 살을 덧붙여 보려고 합니다.

2.모터의 발전 - 제어기술의 승리

개인적으로는 모터가 자동차의 주 동력원으로 사용되기 시작하면서(내연기관보다 먼저 사용될 뻔 했지만, 배터리 때문에 미뤄진거죠), 불완전한 내연 왕복기관이 100여년 간 오버테크에 가깝도록 발전된 것 처럼(물론 복잡도가 엄청 높아졌지만), 모터도 이제 시작이라고 생각합니다. 

다만 출발선 자체가 이미 넘사벽이라..(내연기관 전환효율 20~30%, 모터의 (종류별) 평균 전환율 90%) 더 나은 모터를 마냥 기다리기 보단, 현재 수준에서도 단순 동력기관으로서는 충분히 훌륭하고요, 앞으로 배터리 기술과, 모터의 출력 밀도 개선이 많이 일어날 것이라 생각합니다. 

3상 교류 모터의 제어의 6단계

3상 교류모터의 제어 방식 - 6 단계 제어의 상 별 파형

수십년간 모터 방식 자체의 더딘 발전 보다는, 반도체 기술을 등에 업은 고급 제어방식이 발전해 왔고, 그 덕분에 과거에는 오히려 모터의 약점으로 지적되던 기동과 동시에 최대 출력 발생이 가능해 졌습니다.(수십년간 변경된 것은 VFD의 사용 또는 인버터의 발전이라고 보는 시각이 많습니다.)

즉 단순히 6단계 구형파 제어로 구동하던 BLDC -> PMSM으로의 발전은, 모터의 구조 자체는 크게 변하지 않고(분산권, 자석 배치 정도의 차이이며 컨트롤러는 병행사용 가능) 벡터제어로 기존의 단점을 극복할 수 있었으며, 

특히 냉각 기술도  중공 권선이나, 히트파이프 등 소재의 발전도 있었지만, 열 생성 자체를 억제하는 방식도 발전을 거듭하고 있고요, 기계적인 접근과 더불어, 전자제어적으로 훨씬 높은 제어주파수와 고속 부동소수점 연산을 통해 비선형 시스템(출력이 입력에 선형적이지 않은)에 대한 모델링이 가능해 졌고, 거기에 고속 전력반도체가 더해져 제어 자유도가 눈부시게 증가했습니다.

그리하여 모터의 성능 특성 곡선인 T-N커브 상에서의 실효 동작 영역(정격 영역)을 넓히는 노력이 벡터제어로 결실을 맺었고, 영구자석이 저속에서는 높은 토크를 낼 수 있지만 고속으로 갈 수록 커지는 역기전력 때문에 가속이 힘들어진 부분을 약자계 제어를 통해 하다가, 제어 기술의 발달로 아예 약자계 제어를 할 필요 없는 방식으로서 WRSM이 최근 다시 각광받게 된 것입니다.

3.벡터 제어와 약자계 제어란 무엇인가?

A. 벡터제어

• 정의:

  • AC 모터의 토크와 자속을 독립적으로 제어하는 기법

• 목적:

  • 정밀한 속도 및 토크 제어

  • 동적 응답 특성 개선

  • 에너지 효율 향상

• 핵심 원리:

  • 모터 전류를 토크 성분과 자속 성분으로 분리

  • 각 성분을 독립적으로 제어

• 주요 과정:

  • 3상 전류를 2상(d-q축) 좌표계로 변환

  • d축(자속)과 q축(토크) 전류 각각 PI 제어

  • 제어된 값을 다시 3상으로 변환하여 모터에 적용

• 장점:

  • 빠른 응답성, 정밀한 제어, 넓은 속도 범위에서 안정적 운전

벡터제어 - 3상 좌표계를 2상 d-q 좌표계로 변환

6단계에 따른 3상의 d-q 정지좌표계 변화

B. 약자계 제어

1. 정의:

   • 모터의 자기장을 약하게 만드는 제어 방식

2. 목적:

   • 모터의 최대 속도를 높이기 위함

3. 원리:

   • 모터 속도가 증가하면 역기전력도 증가

   • 역기전력이 너무 크면 모터에 전류를 공급하기 어려움

   • 자기장을 약하게 하여 역기전력을 낮춤

4. 방법:

   • 영구자석 모터: 자석의 자기장을 상쇄하는 방향으로 전류 공급

   • 유도 모터: 자속을 약하게 하는 방향으로 전류 제어

5. 효과:

   • 기본 속도 이상으로 모터 속도를 높일 수 있음

   • 넓은 속도 범위에서 모터 운전 가능

6. 단점:

   • 효율이 다소 떨어질 수 있음

   • 제어가 복잡해짐

벡터제어는 모델링을 위해 복잡한 수학적 연산과 고속의 신호 처리가 필요하지만, 고성능 모터 제어에 필수적인 기술로 자리잡았습니다.

그리고 약자계 제어는 한마디로 모터의 최대 속도를 높이기 위해 자기장을 약하게 만드는 기술입니다. 이를 통해 더 넓은 속도 범위에서 모터를 운전할 수 있습니다.

좀 더 자세히 이야기 하자면, 처음부터 낼 수 있는 최대 토크를 내며 기동(일정토크영역)하다가, (기존 BLDC 기술로는) 속도를 더 높일 수 없는 포화 구간에 진입한 상태(일정 출력 영역)에서 영구자석의 자속을 약화(상쇄)시키는 방향으로 전류를 투입(마이너스 위상의 전류를 주입)하는 테크닉을 쓰게 되는데(Clarke, Park 변환, 이후 Id,Iq 제어, 다시 역 Park,역 Clarke 변환을 거쳐 PWM신호를 만들어 인버터를 제어 합니다), 그 자체가 속도를 더 높이기 위한 트릭이자 고육지책이지, 근본적인 해결이라 보긴 어려운 이유는, 속도를 증가시키기 위해 자석의 힘을 상쇄시키는 전류를 더 사용함으로써 열 발생 문제와, 자기포화를 야기하기 때문입니다. 물론 토크도 점점 낮아지고요.

이러한 약자계 제어 방식을 포함한 벡터 제어 방식은 MCU의 가격이 내려가면서 거의 표준화된 기술이 되었습니다 (그렇게 구현이 어렵거나 비용이 많이 들지는 않는다는 의미). 물론 단편적으로 제어기만 고도화 한다고 해서 해결되지는 않고, 제어기와 조화롭게 동작하는 모터 자체의 설계 또한 많은 시행착오를 거쳐야 하는 복잡한 문제입니다.

4.PMSM의 한계를 넘기위한 도전 WRSM, 하지만 트레이드 오프도 있다!

WRSM 방식은 slip-ring synchronous motor, externally excited synchronous motor (EESM) 라고도 불리는 방식인데요,

기본적으로 회전자계를 만들기 위한 정류(commutation)는 PMSM과 같은 방식으로, 동일 구조의 스테이터(고정자)코일로 하고, 로터(회전자)만 영구자석 대신 전류 조절이 가능한 전자석을 사용하는 방식입니다. 

이는 약자계 제어를 못해서, 혹은 어려워서 보다는, 더 높은 수준의 제어를 통해 약자계제어 자체를 하지 않는 근본적인 해결 방식을 추구하고, 낭비를 줄이는 것이 주된 목적 입니다.

물론 그렇게 되면 고속에서는 장점이 있지만, 저속에서는 구동토크를 만들기 위해 전자석에 많은 전류를 흘려야 하므로, 저속 고토크를 내기에는불리한 것도 사실입니다. 이렇게 되면 가다서다를 반복하는 상황에서는 효율이 좋지 않겠지요.

다만 자동차라는 물건은 사용자의 환경과 패턴에 따라 고속주행 위주가 될 수 있고, 시내주행 위주가 될 수도 있으니 딱히 이게 최고다 라고는 할 수 없을지도 모릅니다.

또, 로터에 전류를 공급해 주어야 하는데, 그러기 위해 슬립링-브러시를 사용하거나, 휴대폰 무선충전과 비슷한 전자 유도 방식을 사용해야 하며, 둘 모두 구조를 복잡하게 하고, 마모 혹은 전력손실이라는 손해를 감수해야만 합니다.

다만, 브러시를 사용했다고 해서, 직류 브러시드 모터 수준으로 열화가 되지는 않는데, 이는 직류브러시드 모터는 정류(commutation)를 브러시-정류자를 통해 하기 때문에, 전류 방향이 바뀌면서 스파크가 발생하고, 그 때문에 물리적인 마모가 가속되는데 반해, WRSM의 브러시-슬립링 구조는 전류의 방향은 일정하고, 전류량만 조절하기 때문에 스파크는 거의 발생하지 않습니다. 따라서 직류브러시드 모터에 비해 5배~10배 이상의 수명을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 브러시 자체는 여전히 회전체와 마찰을 감당하고 있기 때문에, 고속일 수록, 또 오래 사용할 수록 메인터넌스의 이슈는 여전히 발생하는 것이고요.

그래도 WRSM을 쓰는 종합적인 장점은, 애초에 낭비스러운 약자계 제어를 하지 않음으로서, 전 구간 일정한 역률(power factor)를 달성하고, 구동 가능한 속도 영역을 넓히는 데에 있다고 볼 수 있습니다. 실제로 사용 가능한 속도 구간은 30~40% 확장되는 효과를 본다고 합니다.

5.차량용 모터의 개발 흐름 - 오토일렉트로닉스 인용 

당초 유도모터와 영구자석모터로 심플하게 갈려있었고, BMW, 다임러, 포드, GM, 현대기아, 닛산, 스텔란티스, 토요타, 볼보, 폭스바겐, 중국의 OEM 등 거의 모두가 영구자석동기모터(PMSM)를 선호했지만, 조금 다른 노선으로 가고 있는 움직임이 보입니다.

- 현대기아, 토요타, 혼다, 스텔란티스는 희토류 없는 영구자석(코발트-사마륨(방사능;;), 페라이트(약골의 대명사?). 란타넘, 세륨 등의 대체제 사용)쪽으로 연구를 진행하고 있습니다.

- BMW와 르노는 외부여자형(WRSM) 방식을 이미 구현해 출시 했고요

- 다임러, GM, 닛산, 폭스바겐은 유도모터(다시?)를,

- 테슬라는 2017년 출시된 모델3 부터 PMaSRM에 카본슬리브를 적용해 열변화에 대한 공극 변화를 억제하고 있습니다.

(출처 https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=4687)

여기서 테슬라가 읭? 하며 의아해 하시는 분들이 계실 것 같아 설명해 보면,

테슬라는 2012년 발매한 모델s부터 인덕션 모터를 사용하다가(제 모델s가 인덕션 두개 든 녀석 입니다.) 2017년에 모델3를 발표하면서 PMaSRM 방식을 사용했고, 모델s/x에도 인덕션과 병행하다가, 플래드에서는 카본슬리브를 사용한 PMaSRM으로 통일했습니다.

여기서 얘기하는 PMaSRM 방식은, 애초에 희토류 문제를 들며 인덕션 모터를 고집했던 테슬라가 영구자석의 사용을 최소화한 방식으로 개발한, Permenant Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor라는 다소 긴 명칭의 모터 입니다. (공식적으로 PMSM이라고 통용)

고정자는 코일을 사용하고, 회전자에 매입형 자석을 사용하는건 전통적 PMSM(IPM)과 비슷한데, 토크를 만드는 방식이 두가지 입니다. (그래서 하이브리드 형이라고 합니다.)

즉 로렌츠력(자석의 인-척력)으로 인한 토크와, 릴럭턴스력(자기 회로의 최단경로를 만들려는 성질)의 토크가 합성된 형태로, 자석의 비율과 로터의 구조에 따라 다르지만 60:40~20:80의 비율로 토크를 생성하는, 가장 진보된 PMSM 방식입니다.

덕분에, 90% 정도였던 초기(인덕션 모터를 사용한) 테슬라 차량의 동력 전환 효율은, PMaSRM으로 바뀌면서 97%가 됩니다. (어디까지나 최대 효율;;) 거기에 플래드에는 카본슬리브를 사용해, 고출력 발생시 열에 의한 공극 변화를 억제함으로써, 출력을 지속적으로 뿜어내기까지 하도록 발전했습니다.

더불어 다른 메이커들도 트렌드에 맞게 PMSR/SynRM/IPM 등, 이름은 다르지만 대동소이한 방식을 채용하고, 고정자의 권선에는 헤어핀 방식을 사용함으로써 (스펙상 최대)효율은 비슷해져 갑니다. (헤어핀 방식은 같은 공간 안에 구리량(코일)을 극대화 하기 위한 방식으로, 헤어핀 형상이라 그렇게 부릅니다.)

그리하여, 현재 PMSM이라 부르는 방식은 대부분 PMaSRM, 줄여서 PMSR(Permenant Magnet Synchronous Reluctance)라고 하는 모터입니다.

아.. 이미 또 너무 두서 없게 와버렸나 싶기도 하지만 조금 더 가보겠습니다ㅠ

6.이미 현재의 PMSM이면 충분하지 않아? 어째서 굳이 다음 기술을?

그럼 PMSM을 잘 튜닝만 하면 되지 왜 또 다른 기술을 연구하느냐?

a. 함정은 최고 효율구간과 스윗스팟

스펙상 뛰어나더라도, 모든 영역에서 좋지는 않고, 최고 효율 구간에서만 좋기 때문에, 운행시 이 구간을 벗어나면 속은 느낌이 드는거죠.

또 스윗스팟 안에 있으면 과열도 되지 않고, 최고의 효율과 수명을 유지할 수 있지만, 늘 그 안에서만 운행하는건 아니죠.

그래서 듀얼모터를 쓰면서, 가속형 모터와 항속형 모터를 구분해 쓴다던가, 멀티스테이지 인버터를 써서 용도별로 전력 효율을 높이는 노력을 한다던가 하는, 트릭에 가까운 여러가지 보조 기술을 사용합니다.

가능하다면 모터의 넓은 회전수 구간에 걸쳐 최대한 높은 효율을 내는 것이 좋겠죠. 

b. 출력밀도 문제...

분명 모터에서 중요한 건 효율과 출력 입니다.

그런데 출력 밀도가 웬 말이냐?

출력 밀도는 단위 무게당 출력을 의미합니다. 즉 모터의 무게당 출력비율을 의미합니다.

현재 차량용 PMSM 모터들의 경우 킬로그램당 4kW 정도를 내고 있습니다. 그런데 미국 고등 에너지 기획국의 연구 결과에 의하면, 보잉 737 여객기가 5시간 비행을 하기 위해서는 12kW/kg가 필요하다고 합니다.

그렇습니다. 차량에선 그렇게 중요하지 않을 수 있지만, 날아가는 비행체에서는 굉장히 중요한게 무게입니다.

오죽하면 payload(유상운송 무게)라는 말이 있을까요...

여튼, 우주/항공 분야에서는 더 높은 출력 밀도가 필요하고, 그러면서도 높은 출력과 효율이 필요하기 때문에, 여러가지 시도를 하고 있습니다. 그래서 공극 면적을 크게 넓힌 Axial Flux 모터라던가(이게 저희 회사에서 개발중인 모터입니다.), 무거운 철제 코어를 대체하는 시도라던가 등등의 연구가 되고 있습니다. 

물론 차량에도 같은 출력에 더 작고 가벼운 모터가 들어가면 좋겠지요??

c. 그리고 희토류 문제

60%이상이 매장되어 있다고 하는 중국, 중국은 현재 완제품 영구자석은 수출이 되지만, 원재료는 수출을 안합니다.

사실 저도 모터를 만들면서 필요한 자석을 직접 만들고 싶은데, 그게 현실적으로 불가능합니다. 

직접 만들수만 있다면 한 덩어리에 부분적으로 다른 극을 착자할 수 있어서, 원하는 형태로 자석을 제작할 수 있는데, 

주문제작이 되긴 하지만, 낱개로 자석을 하나씩 붙이다 보면 자석이 날아가서 구입한지 일주일도 안된 맥북프로 액정이 깨지기도 하고.. 여튼 그런식으로 중국은 자원 장난질을 치고 있어서, 향후 가격 전망이 그다지 희망적이지 않지요. 물론 네오디뮴은 매장량 보다는 가공시 유독물 문제도 있고요... 또 높은 온도에서 감자를 최소화 하기 위한 다이스프로슘도 필요한 등등.. 

이런 말썽꾸러기 자석을 쓰지 않기 위한 모터 방식은, 이미 전세계 모터의 80%를 차지하는 인덕션 모터! 그리고 릴럭턴스 모터, 그리고 권선계자(WRSM)형 모터가 있습니다. 

하지만 릴럭턴스 모터는 효율이 좋지 않고, 그나마 인덕션은 90%라고 했으나 PMSM에 비해서는 좀 낮고, 그렇다면 인덕션 보다 좀 더 나은 WRSM이 비 희토류 모터 중에서는 제일 낫네?  맞습니다.

하지만 앞에 얘기했듯, PMSR이 이미 자석 사용량을 굉장히 줄였기 때문에, 원가문제라면 저라도 안전한 선택이라면 PMSM(PMSR)을 선택하는게 맞다고 생각합니다. 현재로서는...

7.그렇다면 BMW가 사용한 WRSM은 왜? 그리고 브러시를 꼭 써야 해?

사실 BMW의 WRSM모터를 열어보지 않아서 잘은 모르겠지만, 단순하게 굳이 원가절감을 위해, 엔지니어링에 환장한 BMW 공돌이들이? 라는 생각이 처음 들었습니다.

게다가, BMW의 경우 2013에 발매한 i3에 이미 하이브리드 아키텍처의 PMSM을 사용했다고 하는데, 이게 당시엔 하이브리드라고 HSM이라고 불렀지만, 사실은 이게 PMaSRM에 가까운 방식입니다. 

뭐 무엇 때문에 마음이 바뀌었을지는 모르겠지만, 남보다 먼저 PMaSRM이라는 진보된 방식을 썼던 그들이 퇴보한 기술을 사용하려는 이유가 있을까요?

찾아본 자료에 따르면, 2020년 소형의 BEV용 5세대 파워트레인을 WRSM으로 바꾼 결과, 모터 속도는 11,400 rpm에서 16,000 rpm으로, 출력과 토크는 125 kW/250 Nm에서 90~300 kW/200~500 Nm로 대폭 향상됐다고 합니다. 

또, 중량을 48.4 kg으로 유지하면서 전력밀도를 30% 늘렸다고 합니다.... (일단 그들의 주장은)

(출처 https://www.autoelectronics.co.kr/article/articleView.asp?idx=4687)

즉, 제작자의 설계 의도에 따라 정해지는 것이 차량의 출력이고, 여기에는 효율이라던가, 제작 난이도, 원가 등 여러가지 변인이 작용하기 때문에, 모터의 특성이 좋다고 같은 체급의 타사 전기차와 직접 비교하는 것 보다는, 동일 상황에서 통제변인 변화에 따른 개선점을 보는게 맞겠죠. 

그리고 영상에서도 자막으로 표기했지만, WRSM은 르노에서 먼저 SM3 ZE와 ZOE에 적용 했습니다. 모터는 컨티넨탈에서 제조했고요. 다만 메이저(?) 모델이 아니다 보니, 문제가 있건 없건 잘 알려지지 않았을 수 도 있겠고요....

그란데 말입니다....

Mahle의 유도방식 EESM (Electrically Excited Synchronous Motor)

ZF의 I2SM(In-rotor Inductive-excited Synchronous Motor) 

좀 더 찾아 보면, 슬립링을 사용하지 않은 유도방식의 WRSM을 Mahle에서 EESM, ZF에서 I2SM이라는 이름으로 내놓고 있습니다. 즉 논란거리이자, 피할 수 없는 '브러시 마모'로 인한 유지보수 문제를 해결한 접근도 있다는 겁니다.

물론 이 경우 마찰로 인한 마모는 적지만, 전력손실이 어느정도 있겠지요.

한마디로, 굳이 '브러시'를 감수할 필요 없는 선택지도 있다!... 

(사실 이런게 앞으로의 관전 포인트 입니다. 실시간으로 현재 진행형이니까요)

8.WRSM이 PMSM의 다음 기술 인 이유

( EESM=WRSM, ASM=비동기모터(AC 인덕션 모터))

여기까지 오느라 고생하셨습니다. 지금까지 길게 설명한 이유이자 결과가 이 표에 있습니다.

이 표를 보면 결과적으로 WRSM을 (특히 BMW는 브러시를 감수해 가면서 까지) 써야 하는 이유, 즉 WRSM이 PMSM 너머의 기술이라는 점을 이해 할 수 있습니다.

WRSM은 정지시에나 움직일때나 늘 같은 자속(온도가 올라 감자 되기 전까지)을 내는 영구자석 대신, 전자석을 이용한 전류 제어를 통해, 약자계 제어를 하지 않고, 1.더 넓은 회전수 범위를 커버하고 2.일정역률 운행을 할 수 있도록 전류제어를 하는 방식에 방점을 찍는 것이지, 브러시의 유무는 부차적인 문제이고, 브러시를 사용하지 않는 방식도 연구/개발되고 있다는 얘기 입니다. 

한마디로, WRSM 방식은 이미 완성도를 높일 대로 높인 PMSM의 마지막 남은 2%를 극복하기 위한 시도라고 생각합니다. 

다만 그걸 구현하는 과정에서 BMW는 회전자에 전류를 공급하는데 브러시를 사용 했고, 브러시에서 분진이 생겨 구동계 트러블을 내는게 현재 상황이고, 이는 BMW의 현재 구현 수준의 이슈이지, WRSM 방식 자체의 치명적인 문제 수준은 아니라는 얘길 하고 싶고요. 당연히 BMW가 출시 전 이러한 문제를 다 해결하지 못한 건 잘못한 겁니다.

일부 제조공정의 불량이나 뭐 그런 저런 이유가 있을 수 있지만, 굳이 제가 BMW편에서 변명을 할 필요도 없는거고요.

9.마무리

이미 글이 너무 길어져 버렸네요, 마지막으로, 제가 알고있는 PMSM 대비 WRSM에 대한 특징은 간략히 요약해 보겠습니다.

1.  wrsm방식을 슬립링 마모라는 단점을 감수해 가면서까지 쓰는 이유는, 희토류 저감이나 원가절감보다는 더 정밀 제어가 가능하고, 정 역률 제어를 통해 효율을 높일 수 있다는 데 있습니다.

2. pmsm의 경우, 기저속도를 경계로, 기저속도 이하는 일정토크 영역(MTPA;암페어당 최대 토크), 기저속도 이상은 일정 출력 영역이로 구분하는데, 기저속도 이상에서는 약자계 제어가 필요합니다.

   1. 기저 속도란 전기 모터가 정격 전압과 정격 전류에서 최대 출력(또는 정격 출력)을 낼 수 있는 가장 높은 속도입니다. 자전거 페달을 낮은 단에서 서서히 올려 최고단에서 최고속으로 돌리는 상태라고 생각하면 됩니다

   2. 영구자석은 저속에서 토크에 + 되는 효과를 주지만, 기저속도 이후의 고속 영역에서는 속도를 증가시키기 위해 약자계제어가 필요하며, 이 경우 d축 전류 소모로 인한 -요인이 되며. 열을 발생시킵니다!

3. 반면 wrsm은 회전자에서 필요한 만큼의 자속만을 만들고, 고속에서는 끄거나, 줄일 수 있으므로 제어 자유도가 높으며, 통합 벡터제어방식을 적용해(스테이터와 로터 연동) 손실에 대응하는게 아니라 손실을 애초에 만들지 않는 일정 역률 운전이 가능합니다. 이는 더 복잡한 제어가 필요하지만, 그게 (요즘 기술로)가능해져서 기존 pmsm 제어기에 통합 사용시 시스템 효율도 1-2% 추가 향상 가능합니다. 

4. 자동차의 일반적인 사용 패턴을 고려하면 wrsm은 이런 이점이 있습니다

   1. 저속에서는 1-2% 효율 떨어지나 출력은 5-10% 더 사용 가능해 경사로 출발시 이점이 있습니다.

   2. 중속- 부분 부하 운전 효율:

      1. 일반적인 주행 조건에서 자주 발생하는 부분 부하 운전 시 WRSM은 최적의 자속을 유지할 수 있습니다.

      2. 효율 개선: 부분 부하에서 2-4% 정도로, 일반적인 주행 조건에서의 전반적인 효율 향상으로 이어집니다.

   3. 고속도로 주행 시 효율:

      1. 고속 주행 시 회전자(계자) 전류를 줄여 철손을 감소시킬 수 있어 2-3% 정도 효율 증가

      2. 장거리 주행 시 이는 상당한 에너지 절약으로 이어질 수 있음

      3. 잦은 가속과 감속, 정지-출발이 많은 도심 주행에서 1-2% 정도 효율 개선 가능

   4. 회생 제동 효율 향상:

      1. WRSM은 회전자(계자) 전류 조절을 통해 회생 제동 시 더 넓은 속도 범위에서 효율적인 발전이 가능

      2. 효율 개선: 회생 제동 시 3-5% 정도

      3. 특히 내리막길이나 도심에서의 잦은 감속 시 에너지 회수율이 향상

   5. 극한 기후 조건에서의 성능:

      1. 고온이나 저온 환경에서 WRSM은 회전자(계자) 전류 조절을 통해 더 안정적인 성능을 제공할 수 있습니다.

      2. 성능 개선: 극한 조건에서 5-10% 정도의 출력 및 효율 유지 가능

      3. 이는 다양한 기후 조건에서의 주행 안정성 향상으로 이어집니다.

5. 이로인한 부가적인 장점

   1. 배터리 수명 연장

      1. 효율적인 에너지 사용으로 인해 배터리의 충/방전 사이클이 감소할 수 있습니다.

         1.    배터리 수명 연장: 5-10% 정도

         2.    장기적으로 배터리 교체 주기를 늘릴 수 있어 유지 비용 절감으로 이어집니다.

   2. 주행 거리 증가:

      1. 전반적인 효율 향상으로 인해 동일한 배터리 용량으로 주행 거리가 증가할 수 있습니다.

      2. 주행 거리 증가: 3-5% 정도

      3. 이는 주행 가능 거리에 대한 불안감(range anxiety) 감소로 이어질 수 있습니다.

   3. 토크 특성 개선:

      1.  WRSM은 저속에서 높은 토크를 제공할 수 있어 출발 성능이 향상될 수 있습니다.

         1. 성능 개선: 저속에서 5-10% 정도의 토크 증가 가능

         2. -이는 특히 경사로 출발이나 가속 성능 향상으로 이어집니다.

   4. 유지보수 관점:

      1. 브러시 타입의 WRSM은 브러시와 슬립링 교체가 필요할 수 있어 유지보수 비용이 증가할 수 있습니다.

      2. 그러나 전체적인 효율 향상과 배터리 수명 연장으로 인한 비용 절감이 이를 상쇄할 수 있습니다.

10.최종 결론:

1. PMSM의 약자속 제어 오버헤드와 WRSM의 고속 회전 시 효율 이득은 일반적으로 수 퍼센트 내외의 차이를 만듬. 그러나 이 차이는 모터의 크기, 출력, 사용 환경 등에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

2. 그러므로 비단 둘 뿐 아니라, 실제 응용에서는 효율뿐만 아니라 비용, 신뢰성, 제어의 용이성 등 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 모터 유형을 선택해야 합니다.

3. WRSM을 전기자동차에 적용할 경우, 다양한 주행 조건에서 1-5% 정도의 효율 향상을 기대할 수 있고, 확장해서 주행 거리 증가, 배터리 수명 연장, 다양한 주행 조건에서의 성능 향상 등으로 이어질 수 있습니다.

4. 그러나 제작 비용, 복잡성, 유지보수 등의 문제도 고려해야 합니다. 따라서 WRSM의 장점을 최대한 활용하면서 단점을 최소화할 수 있는 최적의 설계와 제어 전략이 필요합니다.

쓰다보니 또 용두사미가 된 감도 있지만, 이정도로 정리해 보았습니다.

마지막으로, WRSM 방식은 기존 방식의 한계를 극복하기 위한 도전이기에, 응원을 보내는 바입니다.

또 BMW는 자동차 제조사로서의 책임 있는 후속조치를 해 주길 바랍니다.

긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.