최근 4차 산업 혁명 시대를 주도할 전기자동차, 로봇, 드론 등 다양한 신산업 분야에서 전동기가 핵심 부품으로 활용되고 있다. 여러 분야에서 전동기의 활용성이 커지며 전동기 설계의 중요성이 부각되고 있다. 전동기의 중요성이 커지며 많은 물량이 필요하다 보니 전동기생산의 원가 절감과 적정한 수급조절 대한 고민이 깊어지는 상황이다. 이러한 시대적 고민에 발맞춰 전동기 국산화를 위한 연구를 이어오는 연구자가 있다. 가천대학교 전기공학과 김원호 교수가 그 주인공이다.

최선영 기자 csy@

전동기의 종류 중 전력변환반도체와 제어 기술의 발달로 이들을 활용한 영구자석 전동기의 점유율이 증가하고 있다. 영구자석 전동기는 영구자석에서 나오는 자속(磁束, magnetic flux)을 활용한 마그네틱 토크(magnetic torque)로 구동된다. 이에 영구자석의 성능이 전동기의 성능으로 직결되어 고성능의 영구자석인 희토류 영구자석을 대부분 사용한다. 가천대학교 전기공학과 김원호 교수의 연구는 전동기의 영구자석을 저렴한 비용의 소재로 대체한다면 수급이나 가격문제를 크게 해결할 수 있고 국산화할 수 있을 것이라는 생각에서 시작됐다. 페라이트 영구자석을 활용해 기존에 있는 전동기의 성능과 유사하게 낼 수 있는 연구. 김 교수는 ‘릴럭턴스 토크를 활용한 신개념 페라이트 자속 집중형 전동기의 설계 기술 연구'를 진행했다.

원가 절감과 국산화, 두 마리 토끼를 잡다
영구자석 전동기에 주로 사용되는 Nd 계열의 희토류 영구자석은 Neodymium과 같은 경희토(輕稀土, light rare earth) 원소와 Dysprosium과 같은 중희토(重稀土, heavy rare earth) 원소를 포함하고 있다. 전동기생산에 필요한 희토류 소재는 중국에서 생산되고 있고, 희토류 영구자석 제작 관련 특허는 일본이 가지고 있어 한국이 전동기 산업을 활성화 시키기에는 어려움이 크다. 희토류 자석의 경우 중국에서 최근에 자원의 무기화로 수급 자체를 조절해 가격이 널뛰고 있다. 특히 미중무역분쟁으로 인한 수출규제는 희토류 자석의 가격을 가파르게 상승시켰다. 가격이 불안정하게 요동치는 상황에서 기술특허를 가진 일본의 수출규제는 수급의 어려움이라는 결과를 가져왔다.

▲ 김원호 교수

김 교수 연구의 핵심은 희토류를 배제하고 전동기를 만드는 것이다. 그는 영구자석의 주요 성능 지표인 잔류자속밀도(殘留磁束密度, residual magnetic flux density)와 보자력(coercive force, 保磁力)이 희토류 영구자석의 1/3 수준인 저가 페라이트 영구자석을 사용했다. 자속을 집중시켜 마그네틱 토크를 극대화시키는 자속 집중형 구조에 회전자의 자기 저항 (reluctance) 차이를 극대화시키는 구조를 더하여 릴럭턴스 토크를 동시에 발생시키는 회전자 형상을 개발했다. 이는 희토류 영구자석 전동기 수준의 토크, 효율 성능을 유지하면서 재료비는 20% 이상 절감할 수 있는 결과를 가져왔다. 이러한 연구의 결과는 최근 특허로 등록됐고 기술이전을 위해 여러 기업과 논의 중이며, 해외 특허 출원까지 준비 중이다.
“본 연구에는 자기 등가 회로를 활용한 기초 설계부터 2D, 3D 유한요소해석(有限要素解析, Finite Element Analysis)을 통한 전자기 성능 예측 및 파라미터 추출, 고속 운전을 위한 강성 해석, 운전 시간 및 방열 구조 설계를 위한 열 해석 등 다물리계 연동 해석(Multiphysics Coupled Analysis)을 활용해 연구를 진행했습니다. 전동기 설계에 이런 연구 방법의 도입은 오랫동안 정체되어 있던 전동기 성능 한계의 벽을 뛰어 넘을 수 있는 새로운 계기가 될 것입니다.”

전동기 분야 국가적 인재 배출할 것
김원호 교수는 페라이트 활용 신개념 전동기 개발뿐만 아니라 신소재를 전동기에 적용하는 연구도 진행 중이다. 그는 다품종 소량생산에 대한 니즈 및 3D 프린트 기술의 발달을 주목해 3D 프린트를 전동기 제작에 적용하는 ’3D 프린트용 연자성 소재를 활용한 전동기‘를 연구하고 있다. 창원의 재료연구소와 공동연구를 통해 세계 최초 3D프린터를 활용한 전동기의 시작품 제작이 예정되어 있다. 또한 중희토류인 Dysprosium을 배제한 희토류 영구자석을 개발하고 이를 활용한 차량용 전동기를 설계하는 ’Dy-Free 영구자석을 활용한 전동기‘ 연구를 한국자동차연구원, 재료연구원과 국내 자석 제작 업체와 합작해 전동기개발에 힘쓰고 있다.

이제 김 교수 연구의 핵심은 전동기의 품질향상을 위한 소음저감이다. 그는 전동기의 전자기 소음 주파수를 20kHz 이상이 되도록 초고속으로 구동시켜 인간의 가청주파수 범위를 벗어나게 하고, 기구적 마찰 소음을 비접촉식 자기 베어링을 적용해 제거하면 궁극적으로 전동기의 무소음을 구현할 수 있다고 설명했다. 이 연구는 현재 시작 단계이나 초고속 운전을 위한 전동기 형상 관련 특허 출원 및 논문을 통해 그 가능성을 인정받고 있다.
“최근 많은 분야의 동력장치가 유압식에서 전동식으로, 엔진에서 전동기로 바뀌면서 전기기기 수요가 폭발적으로 증가하고 있어 전문 인력에 대한 필요성이 대두되고 있습니다. 저와 함께 연구하는 EMLab(Electrical Machinery Lab)의 석박사 13명뿐만 아니라 많은 인재를 배출하기 위해 노력할 것입니다. 그들이 나아가 국가발전에 이바지 할 수 있도록 돕는 것이 교육자로서 저의 마지막 임무가 될 것입니다. 전기기기 분야는 100년이 넘는 역사를 가진 오래된 학문으로 발전이 더뎠고, 많은 학교에서 연구를 포기하여 전문 인력 배출이 매우 줄었습니다. 저는 전기기기 분야가 다른 차원에서 새로운 기회를 맞았다고 생각합니다. 형상적인 발전보다는 신소재들과 융합하는 것은 전동기를 설계하는 사람들의 최대숙제이자 사명일 것입니다. 이러한 사명과 최신 트렌드에 맞는 전동기개발 연구는 앞으로도 계속 수행할 계획입니다. 국가적 인재를 배출해 국가발전에 이바지 할 수 있도록 노력하겠습니다.” NM