첨단 전기 기계
지구에 부담을 주지 않는 첨단 전기 기계
이제 첨단 전기 기계는 업계 최고의 성능, 확장된 주행 거리, 낮은 총소유비용을 제공하는 동시에 희토류 자석을 사용하지 않고 재활용성을 획기적으로 개선합니다. 이것은 미래의 약속이 아닙니다. 바로 지금 일어나고 있습니다.
현대의 전기 기계는 전환점에 도달했습니다. 새로운 토폴로지와 제어 전략을 통해 모터는 희토류 소재나 무거운 구리 권선에 의존하지 않고도 기존 영구 자석 설계의 토크 밀도 및 효율과 일치하거나 이를 능가할 수 있습니다. 그 결과 더 가볍고 지속 가능하며 공급망 중단에 덜 취약한 차세대 파워트레인이 탄생했습니다.
지속 가능성은 이제 사후 고려 사항이 아닌 핵심 설계 동력이 되었습니다. 이제 엔지니어들은 수명 주기 배출량 감소, 더 깨끗한 자재 공급망, 더 쉬운 수명이 다한 분해 등을 위해 최적화하고 있습니다. 표준 야금 공정을 사용하여 전기 모터를 완전히 재활용할 수 있게 되면 차량 제조업체와 차량 운영사 모두에게 전체 방정식이 바뀝니다.
시장은 명확한 규제 신호에 반응하고 있습니다. 영국과 EU는 2030~2035년 내연기관 자동차의 단계적 퇴출 목표를 설정했습니다. 미국 인플레이션 감소법은 국내 청정 에너지 제조에 상당한 인센티브를 제공합니다. 한편, OEM 업체들은 네오디뮴과 디스프로슘과 같은 핵심 소재의 공급망이 소수 국가에 집중되어 있는 상황에서 공급망을 분산해야 한다는 압박을 받고 있습니다.
이 기계가 “첨단'인 이유는 간단합니다. 희토류 재료를 사용하지 않고도 시장을 선도하는 성능을 제공하면서 기존의 자석 기반 설계에서 발생하는 환경 및 지정학적 부담 없이 친환경 모빌리티를 실현할 수 있기 때문입니다.
첨단 전기 기계가 성능과 효율성을 재정의하는 방법
첨단 전기 기계의 성능은 토크 밀도, 실제 구동 주기에서의 효율성, 열 견고성, 소음, 진동 및 가혹성(NVH) 특성 등 여러 차원에 걸쳐 있습니다. 이러한 특성을 제대로 파악하는 것이 승용차부터 상용차 및 오프로드 차량에 이르기까지 까다로운 애플리케이션에서 기계가 경쟁할 수 있는지 여부를 결정합니다.
최신 무자석 및 구리 감소 토폴로지는 희토류 없이 무엇이 가능한지에 대한 가정을 무너뜨렸습니다. 스위치 릴럭턴스 및 동기 릴럭턴스 기계는 이제 96% 이상의 최고 효율을 달성하며 WLTP 및 EPA 드라이브 사이클 전반에 걸쳐 높은 효율을 유지합니다. 10년 전에는 불가능했던 일입니다. 전자기 설계, 전력 전자 장치 및 제어 알고리즘의 발전으로 영구 자석 동기 모터와의 격차가 좁혀졌습니다.
OEM의 경우 실질적인 혜택이 상당합니다:
- 이전 세대 모터에 비해 10-15%의 차량 주행 거리 증가
- 더 작아진 배터리 팩으로 동등한 주행 거리, 비용 및 무게 감소
- 열 손실 감소로 인한 냉각 시스템 간소화
- 최적화된 라미네이션 설계 및 제어 전략을 통해 NVH 수준 감소
이제 최적화된 전자기 설계로 신뢰성을 유지하면서 20,000~30,000rpm의 작동 속도를 구현할 수 있습니다. 이를 통해 기존 차량 아키텍처에 깔끔하게 맞는 컴팩트한 e-액슬 패키징이 가능합니다. 속도가 빨라지면 같은 출력을 내면서도 더 작고 가벼운 장비를 만들 수 있으며, 이는 주행 거리와 핸들링이 중요한 상황에서 매우 중요한 이점입니다.
이 기술은 토크 리플을 관리하고 전체 작동 범위에서 손실을 최소화하는 정교한 제어 알고리즘을 통해 이러한 이점을 실현합니다. 와이드 밴드갭 반도체(실리콘 카바이드 및 질화 갈륨)를 사용하는 최신 인버터는 100kHz 이상의 주파수에서 전환하여 정밀한 전류 제어를 가능하게 하고 고조파 손실을 줄입니다.
희토류를 사용하지 않고 구리를 줄인 기계와 완전한 재활용성
희토류 자석(주로 네오디뮴과 디스프로슘)은 환경 파괴, 지정학적 위험, 가격 변동성이라는 세 가지 위협을 야기합니다. 희토류 자석을 채굴하는 과정에서 상당한 폐기물과 배출물이 발생하며, 전 세계 공급량의 90% 이상이 한 국가에서 공급되고 있습니다. 지난 10년 동안 300-400%의 가격 급등은 여러 차례 발생했습니다.
전기 파워트레인에서 희토류 소재를 제거하는 것은 단순히 비용 관리의 문제가 아닙니다. 오늘 더 나은 선택을 통해 내일의 지구를 보호하는 것입니다. 첨단 전기 기계는 희토류 자석을 완전히 제거하면서 구리 사용량을 획기적으로 줄이는 대체 소재와 아키텍처를 사용합니다. 그 결과 유럽과 아시아에서 이미 사용 가능한 공정을 사용하여 거의 완벽하게 재활용할 수 있는 기계가 탄생했습니다.
환경적 이득은 구체적이고 측정 가능합니다:
- 모터 출력 킬로와트당 내장된 CO₂ 감소
- 희토류 추출로 인한 채굴 폐기물 감소
- 수명 종료 시 간소화된 분해
- 표준 야금 공정을 통한 철강, 알루미늄 및 전기강 회수
이러한 재활용성을 가능하게 하는 것은 설계 선택입니다. 세분화된 고정자 스택, 표준화된 라미네이션, 수지 포팅을 제거하여 재활용 업체는 재료를 빠르고 효율적으로 분리할 수 있습니다. 이러한 장비에 사용되는 재료는 일반적이고 잘 알려져 있으며 이미 기존 재활용 흐름의 일부이기 때문에 특별한 희토류 회수 공정이 필요하지 않습니다.
희토류를 사용하지 않는 설계의 주요 지속 가능성 이점은 다음과 같습니다:
- 완전 재활용 가능한 스틸 및 알루미늄 구조
- 유해한 희토류 처리 폐기물 없음
- 여러 글로벌 공급처에서 제공되는 재료로 공급망 간소화
- 2030년까지 20% 희토류 재사용을 요구하는 새로운 EU 규정 준수
- 원자재 가격 변동성에 노출되지 않고 비용 효율적으로 생산
첨단 전기 기계의 주요 제품군 및 토폴로지
“첨단 전기 기계”라는 용어는 각각 다른 차량 및 산업 분야에 최적화된 여러 모터 제품군을 포괄합니다. 이러한 제품군을 이해하면 엔지니어와 프로그램 관리자가 특정 사용 사례에 적합한 기술을 선택하는 데 도움이 됩니다.
고성능 스위칭 릴럭턴스 드라이브 는 견고성이 무엇보다 중요한 상용차 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 극한의 온도 범위와 높은 과부하 조건을 견디며 최소한의 유지보수가 필요합니다. 자석이나 권선이 없는 단순한 로터 구조 덕분에 트럭, 버스 및 중장비에 대한 신뢰성이 뛰어납니다.
동기 릴럭턴스 기계 는 컴팩트한 패키징, 낮은 NVH, 빠른 과도 응답이 가장 중요한 승용차 및 경상용차를 대상으로 합니다. 이러한 설계는 2025년 이후 출시되는 프리미엄 차량과 장거리 전기차에 적합합니다. 자석이 없기 때문에 고장 시 자화 위험이 없으며, 첨단 제어 알고리즘을 통해 영구 자석 대체품과 경쟁할 수 있는 성능을 구현합니다.
통합 e-액슬 시스템 모터, 인버터, 감속 기어박스를 단일 장치로 결합합니다. 이 접근 방식은 OEM 및 1차 공급업체의 설치를 간소화하고 시스템 무게를 줄이며 패키징 효율성을 개선합니다. 통합 솔루션은 파워트레인 부피가 제한된 경량 밴, SUV, 플랫폼에 특히 유용합니다.
AEM은 이러한 모든 제품군에 걸쳐 기계를 설계하며, 엔지니어링 팀은 각 토폴로지를 대상 애플리케이션에 맞게 최적화하는 데 주력합니다. 첨단 전기 기계 그룹은 고객과 긴밀히 협력하여 기계 특성을 실험실 조건이 아닌 실제 듀티 사이클에 맞추고 있습니다.
상업용 및 비포장도로용 대형 장비는 견고함을 위해 특별히 설계되었습니다. 넓은 온도 작동 범위(-40°C ~ +150°C), 높은 과부하 성능(단기간 동안 200% 정격 토크), 충격과 진동에 대한 내성을 갖춰 까다로운 환경에서 작동하는 트럭, 버스, 농기계, 트레일러에 적합합니다.
도로, 비포장도로, 항공우주 및 해양 분야의 애플리케이션
첨단 전기 기계는 이미 여러 부문에서 운영되고 있으며, 자석이 필요 없는 지속 가능한 기술이 실제 환경에서 작동한다는 것을 입증하고 있습니다. 그 적용 분야는 승용차를 넘어 훨씬 더 넓습니다.
도로 애플리케이션
장거리 트럭, 도심 배송 차량, 쓰레기 수거 차량, 버스 모두 유지보수가 용이하도록 설계된 견고한 고토크 기계의 이점을 누릴 수 있습니다. 상용차 운영자는 가동 시간과 총 소유 비용을 우선시합니다. 자석이 없는 기계는 과열로 인한 자성 제거의 위험을 없애고 수명이 다했을 때 교체가 간편합니다.
도로용 전기 파워트레인 기술은 스톱-스타트 도심 주행, 지속적인 고속도로 정속 주행, 무거운 회생 제동 등 까다로운 듀티 사이클을 처리해야 합니다. 최신 스위치 릴럭턴스 및 동기 릴럭턴스 기계는 대부분의 작동 지점에서 90% 이상의 효율을 제공하면서 이러한 요구 사항을 관리합니다.
오프-하이웨이 애플리케이션
건설 기계, 농업용 트랙터, 광산 차량은 높은 시동 토크, 효과적인 회생 제동, 뛰어난 저속 효율성의 이점을 누릴 수 있습니다. 이러한 장비는 먼지가 많고 습하며 온도가 극한인 환경에서 작동하므로 신뢰성이 무엇보다 중요합니다.
AEM은 피크 전력 밀도보다 견고성, 서비스 가능성, 긴 작동 수명이 더 중요한 오프 하이웨이 부문을 위해 특별히 전기 파워트레인 기술을 제조합니다. 자석이나 구리 권선이 없는 스위치드 릴럭턴스 기계의 단순한 로터 구조는 이러한 열악한 작동 조건에 이상적입니다.
항공우주 애플리케이션
2019년부터 2023년까지 하이브리드 전기 지역 항공기 데모기와 순수 전기 훈련기가 비행하고 있습니다. 가볍고 효율적인 기계는 내구성을 연장하고 운영 비용을 절감합니다. 항공우주 분야에서는 1그램이 중요하기 때문에 전력 밀도와 효율성이 중요한 설계 파라미터가 됩니다.
항공우주 애플리케이션용 첨단 전기 기계는 희토류 공급망에 대한 우려를 없애면서 최고의 영구 자석 설계로 경쟁력 있는 5kW/kg 이상의 비출력을 목표로 합니다. 앤디 스티븐 박사와 업계 관계자들은 항공우주 인증 요건으로 인해 지속 가능하고 재활용 가능한 소재가 새로운 프로그램에 점점 더 매력적으로 다가오고 있다고 지적했습니다.
해양 애플리케이션
전기 및 하이브리드 페리선, 내륙 수로 선박, 작업선은 첨단 전기 기계의 성장하는 시장을 대표합니다. 조용한 작동, 즉각적인 조종을 위한 토크, 고전압 DC 시스템과의 호환성 덕분에 전기 파워트레인은 해양 운영자에게 매력적입니다.
해양 분야에서는 특히 자석이 없는 기계의 견고성과 낮은 유지보수 요건을 중요하게 생각합니다. 염분, 습도, 진동으로 인해 온도에 민감한 영구 자석이 없는 단순하고 안정적인 설계가 선호되는 까다로운 조건이 조성됩니다.
대학 연구부터 산업 규모 생산까지
많은 첨단 전기 기계 기술은 대학 연구실과 국가 혁신 센터에서 시작되어 상업 기업으로 분사됩니다. 실험실 데모에서 생산 가능한 시스템으로의 여정은 잘 정립된 경로를 따릅니다.
약 2010년부터 2020년까지 영국, EU, 미국에서는 고효율 트랙션 드라이브, 희토류를 사용하지 않는 설계, 새로운 제조 공정에 초점을 맞춘 집중적인 연구 프로그램이 진행되었습니다. 뉴캐슬 대학교와 다른 주요 기관들은 스위치 릴럭턴스 및 동기 릴럭턴스 기계에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 영구 자석 모터와의 성능 격차를 줄이는 제어 전략을 모색했습니다.
일반적인 개발 경로는 뚜렷한 단계를 거쳐 진행됩니다:
- 개념 증명 데모 시연자 동력계에서 검증되어 기본적인 전자기 성능을 확인했습니다.
- 조기 통합 1세대 전기 SUV, 경 상용 밴, 프로토타입 버스 등 시범 차량에 적용되었습니다.
- 디자인 최적화 차량 테스트에서 얻은 실제 피드백을 기반으로
- 프로덕션으로 확장 연간 수천 대에 이르는
대학 연구에서 분사한 기업들은 상업용 제품에 학문적 엄격함을 더합니다. 이러한 조직의 세계적 수준의 팀은 심도 있는 이론적 이해와 실용적인 제조 전문 지식을 결합합니다. 이러한 조합은 실험실에서 입증된 성능의 이점을 유지하면서 생산을 확장하는 데 필수적입니다.
자동차 OEM, 항공우주 프라임 및 티어 1 공급업체와의 협업은 종종 특정 주력 프로젝트를 목표로 합니다. 장거리 전기 프로토타입, 상업용 차량용 고출력 e-액슬 플랫폼, 하이브리드 항공기 데모는 기술을 발전시키는 까다로운 애플리케이션을 제공합니다.
영국 북동부는 이 지역의 엔지니어링 유산과 주요 자동차 제조 현장과의 근접성을 바탕으로 첨단 전기 기계 개발 및 제조의 허브로 부상했습니다. 워싱턴과 주변 지역에는 연간 수만 대의 모터를 생산할 수 있는 시설이 있습니다.
협업 에코시스템 및 파트너 기회
첨단 전기 기계는 대학, 자재 공급업체, 소프트웨어 개발자, 차량 OEM, 재활용 회사 등 광범위한 파트너 생태계 내에 존재합니다. 성공을 위해서는 이 네트워크 전반의 협력이 필요합니다.
고객은 요구 사항에 따라 여러 수준에서 참여할 수 있습니다:
- 표준 “플러그 앤 플레이” e-액슬 유닛 검증된 솔루션이 요건을 충족하는 애플리케이션용
- 세미 커스텀 모터 변형 특정 듀티 사이클, 열 환경 또는 패키징 제약 조건에 최적화됨
- 완전 맞춤형 파워트레인 공동 개발 프로젝트 컨셉부터 제작까지 파트너가 함께 일하는 곳
긴밀한 엔지니어링 협업으로 개발 주기를 단축할 수 있습니다. 초기 컨셉 단계부터 함께 작업하면 실험실 조건이 아닌 실제 드라이브 프로파일에 맞게 기계가 최적화됩니다. 공동 검증 프로그램을 통해 자동차 또는 항공우주 표준에 대한 인증 위험을 줄이고 두 파트너 모두 성공을 위해 투자합니다.
장기적인 파트너십은 일반적으로 컨셉 디자인, 프로토타입 제작, 검증 테스트, 시리즈 생산 확대에 걸쳐 이루어집니다. 이러한 접근 방식은 인센티브를 조정하고 고객의 미래 요구 사항을 보호하면서 현재 차별화를 제공하는 데 필요한 심층적인 이해를 구축합니다.
희토류 기반 모터의 지속 가능한 대안을 모색하는 데 관심이 있는 제조업체에게는 여러 분야에 걸쳐 파트너십 기회가 존재합니다. 승용차, 상용차, 항공우주, 해양 등 어떤 분야에 적용하든 실제 요구 사항을 파악한 다음 이를 충족하는 기계를 설계하고 제조하는 엔지니어링 접근 방식은 일관되게 유지됩니다.
다음 단계로 넘어가기
연구부터 생산 가능한 파워트레인 시스템에 이르는 과정은 이제 입증되었습니다. 첨단 전기 기계는 업계 최고의 성능을 제공하는 동시에 희토류 재료가 점점 더 문제가 되고 있는 지속가능성 문제를 해결합니다.
전기 파워트레인 옵션을 모색하는 OEM 엔지니어, 차량 운영자 또는 프로그램 관리자라면 희토류 소재를 제거하는 것이 공급망 복원력, 재활용성 목표 및 총 소유 비용에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 고려해 보세요.
현재 생산에 들어가는 전기 기계 세대는 고객이 요구하는 성능을 제공하면서 재활용성을 개선하고 지구를 보호하는 근본적인 변화를 의미합니다. 문제는 자석이 없는 기계가 경쟁할 수 있는지 여부가 아닙니다. 문제는 다음 프로그램이 이러한 기계의 장점을 활용할 수 있는지 여부입니다.
통합 프로젝트에 대해 논의하고 파트너십 모델을 탐색하거나 첨단 전기 기계 기술이 귀사의 애플리케이션에 어떻게 적용될 수 있는지 알아보려면 문의하세요. 지속 가능한 모빌리티의 미래는 지구를 파괴하지 않습니다.