高效率 輕量化 EV BLDC 모터 코어部品의 製造法 및 信賴性 評價

Abstract

세계 각국에서는 배기가스 규제 기준강화와 화석연료의 고갈, 지구 온난화 등의 에너지와 환경문제로 친환경 자동차에 대한 필요성이 환경 규제가 강화되는 가운데 크게 일어나고 있다. 이에 전기자동차(EV)에 대한 관심이 꾸준히 높아지고 있다. 일본과 미국에 이어 우리나라에서도 2013년 내 양산형 전기자동차 시대가 본격 개막될 예정이고, 전기자동차는 향후 10년 내에 전체 자동차 시장에서 10%를 차지할 것으로 기대되는 분야 이다. 특히 지금과 같이 국제 지구온난화 방지 대책으로 이산화탄소 규제와 배기가스 규제, 석유자원의 고갈에 따른 대체 에너지 개발과 더불어 환경 친화적 자동차의 개발 필요성이 대두 되는 가운데, 경제 위기로 물가가 계속 오르는 시점에서 생활이 점점 더 어려워지고, 휘발유와 경유가격이 급상승하고 있는 상황에 유지비가 적은 연비 좋은 자동차를 찾는 실속형 운전자들이 많아지는 추세이다. 향후 10년 후 전기자동차가 양산화 되면 그 시장을 먼저 진출한 업체가 그 시장에서 이점을 가지며 그 시장을 선점 할 것으로 전망한다. 현재 전기자동차의 구동 모터인 10kw100kw급 BLDC 모터 개발에 전기자동차 모터 생산업체 뿐만 아니라 가전 및 산업모터를 생산하는 업체들까지 제품개발 및 품질향상에 관한 연구 및 사업에 뛰어 들고 있다. 그 이유로 BLDC 모터는 브러시가 없으므로 전기적, 기계적 노이즈가 작고 고속화가 용이하며 신뢰성이 높고 유지보수가 필요 없는 등 일반 DC, AC모터 보다 전기자동차 구동모터로서 장점이 많기 때문이다. 그러기 때문에 고가라는 단점에도 불구하고 수명과 효율이 좋기에 전기자동차의 구동모터로 많이 연구되고 있다. 현재 국내외 자동차업계들이 전기자동차 대중화에 박차를 가하고 있다. 전기자동차용 BLDC모터 수명 및 효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되는 이유이기도 하다. BLDC 모터는 영구자석이 사용된다. 오늘날 희토류 영구자석은 그 응용범위가 매우 넓어 중요한 기초 물질이 되었다. 각종 전자산업의 발전과 모터 출력의 증대와 함께 브러시가 달린 DC모터에서 브러시리스 모터로, 내장자석 역시 페라이트 자석에서 네오듐(Nd-Fe-B)계 소결자석으로 바뀌고 있다. 희토류 영구자석은 성능개선 및 경량화에 필요한 고성능 모터 개발에 필수적으로 사용된다. BLDC core는 영구자석을 사용하는데 일반적으로 페라이트 자석을 사용할 경우가 많으나 체적 당 토크가 작다. 이 결점을 개선하기 위해 에너지곱이 높은 희토류 자석을 사용하는데 비용이 상당히 높아질 뿐만 아니라 모터제작비용에 약 60%를 차지한다. 희토류 금속은 세계적으로 그 매장량이 한계가 있으므로, 네오듐(Nd-Fe-B) 소결자석의 결정입자 사이를 5마이크로미터에서 1.1마이크로미터 사이즈로 작게 함으로써 보자력을 향상시켜 디스프로슘의 사용량을 절감하는 기술 등과 같은 연구가 활발히 일어나고 있다. 본 논문은 전기자동차가 대중화 단계에 진입하기도 전에 전기자동차의 고효율 구동모터 생산에 없어서는 안 될 희토류금속의 확보에 문제점들이 나타나고 있어 계획적이고 체계적인 생산, 제조 및 절감 기술 등이 연구 되어져야 할 필요가 있으며, 전기자동차용 고효율 BLDC 모터의 Core 제작시 모터의 고효율을 유지하면서 희토류를 절감하는 설계방법을 고안하였고, 희토류 분말성형 및 주조 방법을 의한 제작을 위해 CATIA, NX를 이용한 최적설계와 ANSYS, Z-CAST 전용해석 프로그램을 이용하여 과도상태 열전달해석하여 제작한 분말 성형한 Core의 밀도와 경도를 측정하여 Core에 대한 부품 신뢰성 검증을 실시하고, 대량생산을 쉽게 할 수 있는 주조생산방식을 적용하기 위하여 충전해석 및 응고해석을 실시하였다. 또한, 희토류 금속의 최소화를 이루고, 제품의 신뢰성을 확보하기 위하여 표면 처리의 여러 가지 방법 중 하나인 아노다이징 표면처리법(Hard anodizing) 이용하여 희토류 금속표면에 산화 막을 형성시켜 표면의 경도를 증가시키고 마멸과 부식에 대한 저항성을 증가시키고자 하였다. 고효율 BLDC 모터의 저가형 코어개발 및 공정개선을 위하여 주조과정에서의 유동 및 응고 과정에 따르는 제 현상들을 정량적으로 예측하고, 주조설계에 있어서 최적화를 통하여 생산성 및 품질의 극대화를 얻고자 하였다.