전기 자동차 상식 2편 - 전기차 엔진의 구조

자동차 관련 블로거 카포메이션이다. 이번 포스팅에서는 1편에 이어서 좀 더 심화적인 내용을 알아보려고 한다. 전기 자동차는 내연기관 자동차와 완전히 다른 구조의 엔진을 가지고 있다. 바로 전기 모터가 달려있다.

dc모터

전기 모터는 크게 DC모터와 AC모터로 나뉜다. DC모터는 직류전동기라고 불리며 우리가 학창 시절에 장난감 자동차 같은 것들을 만들 때 사용한 작은 모터가 직류 모터다. AC모터는 교류전동기라고 불리며 대부분의 전기 자동차에 이 모터가 사용된다. 교류 전동기에서 또 3가지 종류가 나뉜다. 유도전동기, 동기전동기, 정류자전동기로 나뉘며 전기 자동차 엔진은 동기전동기에 해당하고 정확히 영구자석형 동기전동기라고 불린다. 영구자석형 동기전동기를 이해하려면 약간의 물리 지식이 필요하다.

아라고의 원판

먼저 아라고의 원판을 알아야 한다.아라고의 원판은 위의 그림처럼 영구자석을 화살표 방향으로 이동시키면 원판도 자석과 같은 방향으로 회전한다는 내용이다. 왜 원판은 직접적인 접촉 없이 자석과 같은 방향으로 회전할 수 있을까? 바로 전자기 유도에 의해서 움직일 수 있다. 자기장은 N극에서 S극으로 이동한다. 아라고의 원판에 있는 자석은 말굽자석으로 위쪽은 S극 아래쪽은 N이다.

즉 사진에 있는 자석의 자기장 방향은 위쪽을 향한다. 원판에 방향이 있는 동그라미 2개가 있다. 자석이 화살표 방향대로 움직이면 전자기 유도에 의해서 자석이 가려고 하는 방향의 앞쪽에는 자석과 같은 극과 같은 방향의 자기장이 형성된다. 반대로 자석의 뒤쪽에는 자석과 반대 방향의 극과 반대 방향의 자기장이 형성된다. 이것은 자석이 움직이면서 상대적으로 자기장의 밀도가 변하기 때문이다.

앙페르의 오른 나사의 법칙

이때 생긴 자기장에 따라서 앙페르의 오른 나사의 법칙을 사용하면 전류가 형성되는데 동그라미 2개가 전류이며 전류의 방향이다.

플레밍의 왼손법칙

전류가 서로 반대 방향으로 회전하기 때문에 결국 원판의 중심부터 자석이 있는 쪽의 원판의 바깥쪽으로 전류가 일직선으로 생긴다. 일직선으로 생긴 전류의 방향과 자석의 자기장 방향을 기반으로 플레밍의 왼손 법칙을 사용하면 원판의 회전 방향이 자석의 회전 방향과 동일하다는 것을 알 수 있다.

이제 아라고의 원판을 업그레이드 시켜보자. 그림과 같이 원판 주위에 a와 a'를 감싸는 전선, b와 b'를 감싸는 전선 c와 c'를 감싸는 전선 3개를 만들어보자. 이렇게 만든 전선 3개에 주파수가 같고 위상이 다른 교류를 흘려주면 각각의 자기장이 합쳐져서 2개의 방향이 서로 다른 자기장이 회전한다. 이러한 교류를 3상 교류라고 한다. 근데 자기장이 회전하는 모습을 자세히 보면 영구자석이 원판 위에서 회전하는 것과 동일하다고 느껴질 것이다. 그렇게 느껴졌다면 완벽히 이해한 것이며 이것을 유도전동기라고 부른다.

그러면 한 번 더 업그레이드 시켜보자. 원판을 빼고 영구자석을 넣자. 그래도 같은 방식으로 돌아간다. 우리는 이것을 영구자석형 동기전동기라고 부르며 이런 구조로 생긴 모터를 전기 자동차 엔진으로 사용한다. 이 모터는 고정자(전선)와 회전자(자석)의 속도가 거의 같고, 효율이 높고, 발열이 적으며, 저소음이라는 장점이 있다. 만약에 여기까지 읽었는데 이해가 하나도 안 돼도 괜찮다. 원래 어려운 내용이다. 만약에 이 내용을 이해하고 싶다면 물리에서 전자기 유도 파트를 공부하면 도움이 될 것이다. 3편이 있다는 것을 알리면서 이상 포스팅을 마치도록 하겠다.

 

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전기 자동차 상식 3편 - 전기차의 회생제동