2.1 스타터 전동기 설계 사양

스타터용 전동기는 엔진의 시동을 걸어주기 위하여 엔진과 크랭크 축으로 연결되어 엔진룸의 연료가 폭발할 수 있는 속도까지 회전시켜주고 엔진 점화가 완료되면 엔진과 분리되는 역할을 수행한다. 기존 양산되어지는 상용버스용 스타터 전동기는 DC전동기가 주류를 이룬다. 사용되어지는 DC전동기는 고정자 권선을 구성하는 계자권선과 회전자 권선을 구성하는 전기자권선으로 구성되며 그 특성상 저속에서도 높은 기동토크를 이끌어 낼 수 있다. 또한 가격이 저렴하며 구성이 간단하다는 장점을 가진다. 하지만 빈번한 사용을 필요로 하는 스타터로서는 치명적인 단점을 가진다. 전동기의 구조상 brush와 commutator에 의한 기계식 접점을 통하여 전력이 공급되면서 brush 마모로 인하여 수명이 짧은 단점을 가지고 있다. 이는 곧 빠른 스타터의 교환주기로 인하여 많은 유지비를 필요로 한다. 따라서 본 논문에서는 상용버스용 전동기로 브러쉬와 정류자가 필요 없는 BLDC 타입으로 설계하고자 한다. 아래 표 1은 설계하려고 하는 전동기의 설계사양을 나타낸다. 이는 기존 DC전동기 대체를 목적으로 하기에 사용배터리 전압, 속도, DC전동기 외경사이즈를 고려한 사양이다⁽³⁾.

2.2 스타터 전동기 설계 고려요소

2.2.1 배터리 전압

상용 시내버스에 사용되는 배터리 전압은 24V 200A급을 사용하지만 스타터용 전동기 설계에는 24V의 전압을 모두 사용할 수 없다. 왜냐하면 배터리 자체가 가지고 있는 내부저항 때문이다. 엔진을 기동시키는데 전동기에서 필요로 하는 전류는 232A로 높은 전류량이다. 이 전류에 의한 배터리 내부저항에 해당하는 전압강하가 발생하게 되고 나머지 전압만이 전동기로 공급된다. 이는 그림 1 스타터용 DC전동기 시동시의 전압패턴을 보면 잘 나타난다. 그림 1의 전동기에 인가되는 전압은 전체 4 구간으로 나누어 생각할 수 있다. 최초 전동기가 기동하기 전의 배터리 전압인 23.9V 구간, 전동기가 기동을 시작하며 대량의 기동전류를 사용할 때인 15V 구간, 엔진을 기동시키는 정격운전 시 전압인 21V 구간, 나머지 엔진 기동 후 전압으로 나눌 수 있다. 15V 구간의 경우에는 전동기의 회전이 없는 상태이므로 전동기의 역기전력이 발생하지 않는다. 따라서 15V는 전동기 기동전류에 의한 전압강하이므로 설계 시 고려해야 하는 전압과는 무관하다. 이런 이유에서 전동기 설계 시에 배터리 전압 drop을 고려하여 사용가능한 배터리 전압은 21V 이하이다.

또한 기존 DC전동기를 사용할 경우 그림 2(a)와 같이 스타터전동기는 배터리와 직결하여 사용하지만 BLDC 전동기의 경우는 이와같지 않다. BLDC 전동기는 전동기를 제어할 수 있는 인버터를 필요로 하게 된다. 따라서 BLDC 전동기를 사용하는 경우에 그림 2(b)와 같이 배터리에서부터 전동기까지의 Power wire 길이와 스위칭 소자에서의 전압강하를 고려하여 전동기 설계 시에 사용가능 배터리 전압을 정해야 한다. 따라서 본 논문에서는 DC전동기 사용하는 것보다 2V가 떨어진 19V를 배터리 전압으로 사용하여 전동기 설계를 시작한다.

2.2.2 스타터 전동기 환경온도

상용 시내버스용 스타터 전동기는 엔진 시동을 위한 장치이므로 장착되는 위치는 엔진룸 안인 엔진 옆이다. 또한 태양에 의해 뜨거워진 지면과의 거리도 가깝다. 따라서 운전환경이 가장 최악의 온도조건을 나타내는 무더운 여름에 스타터 전동기의 온도환경을 시험하였다. 이는 그림 3에 나타난다. 시험은 thermax 사의 온도라벨테이프를 사용하여 7월에 4대의 상용버스 스타터에 장착하였고 10일간 최대온도를 측정하였다. 그 결과 스타터 전동기가 받는 가장 가혹은 운전환경 조건은 104 ~107deg의 온도를 나타냈다.

시내버스용 스타터 전동기의 입장에서 107deg 고온의 운전환경은 가혹한 조건이다. 특히 회전자에 삽입되는 영구자석과 고정자 권선에 큰 영향을 끼친다. 본 논문에서의 스타터전동기 설계사양은 높은 기동전류 성능을 가지는 기존 계자형 DC전동기를 대체하기 위하여 이미 최대 외경사이즈가 정해져있다. 따라서 동등한 사이즈에서 동등한 성능을 내기 위해서는 스타터용 BLDC 전동기는 높은 자속밀도를 가지는 ND계열의 영구자석을 사용해야 한다. ND 영구자석의 경우 재질의 특성상 그림 4의 ①과 같이 온도가 높아질수록 잔류자속(Br)의 양과 보자력(iHc)의 값이 줄어드는 단점이 있다. 따라서 운전온도에 따른 잔류자속밀도 값을 고려하여 설계에 반영해야 한다. 또한 ND 영구자석의 경우 그림 4의 ②와 같이 운전환경 온도가 높아질수록 BH커브가 점점 X축 방향으로 떨어지면서 불가역감자를 발생시킬 수 있는 위험을 지닌다. 따라서 고온의 운전환경을 가지는 곳에서는 온도에 따른 불가역감자여부의 확인이 매우 중요하다.

전동기 고정자 권선에 있어서도 고온의 운전환경은 좋지 않은 영향을 준다. 코일의 재질은 기본적으로 구리와 코일과의 절연을 위한 절연층으로 구성된다. 구리의 경우, 온도가 상승할수록 저항 값이 커지게 되는데, 저항의 상승은 코일에서의 동손 증가시켜 더 많은 코일에서의 열을 발생시킨다. 특히나 간헐적으로 사용하고 한정된 공간인 시내버스에 장착해야 하는 스타터 전동기의 특성상 사이즈가 컴팩트하게 설계한다. 따라서 가혹한 온도 환경에서, 그리고 높은 기동전류를 요구하는 스타터 전동기에서는 코일의 절연층이 파괴되어 전동기의 소손을 방지할 수 있는 코일의 선택이 필수적이다.

2.2.3 스타터 전동기 운전속도

그림 5는 DC전동기를 스타터로 장착한 시내버스의 엔진 시동시의 시험그래프이다. 그래프에서 보는 것과 같이 시내버스 엔진의 시동 시 속도는 172rpm 가량이다. 스타터가 엔진을 172rpm으로 돌려주면 엔진의 연료가 점화되어 엔진은 스타터가 돌려주는 속도보다 더 빠른 속도로 회전하게 된다. 만일 스타터 전동기가 엔진과 계속해서 결속되어 있다면 엔진이 회전시키는 전동기의 역기전력에 의하여 전류가 역으로 배터리로 흘러서 배터리의 소손을 야기할 수 있다. 이렇게 빨라지는 엔진속도로부터 전동기를 보호하기 위하여 오버런닝 클러치가 사용된다. 전동기보다 엔진의 속도가 빨라지게 되었을 때 엔진이 전 동기를 회전시키는 것을 막아주는 역할을 한다. 따라서 스타터 전동기 설계 시 회전 속도는 엔진의 시동속도 172rpm에 맞추어 설계를 진행하면 된다.

시내버스용 스타터 전동기는 그림 6와 같이 두 종류의 기어부를 거쳐서 엔진과 이어진다. 스타터 내부에서 스타터 감속기는 4.11:1의 기어비를 가지고 있고 스타터와 엔진사이에는 11:1의 엔진 감속기를 가지고 있다. 두 기어비를 합치면 1:45.2 이 된다. 따라서 엔진에서의 172rpm은 전동기의 약 7,777rpm이라는 것을 나타내고 스터터 전동기의 설계 속도는 이를 토대로 진행하게 된다⁽⁴⁾.

2.2.4 스타터 전동기 운전전류

그림 7은 DC스타터 전동기의 기동전류 특성을 나타낸다. 시내버스용 스타터 전동기는 특성상 기동토크가 매우 크다. 하지만 제한된 공간을 가지는 차량에 장착해야 하고 또한 간헐적으로 사용하는 전동기이기에 사이즈의 제약을 가진다. 이와 같은 이유에서 스타터 전동기는 매우 높은 출력밀도를 가지게 되는데 DC전동기의 경우에는 최대 1,100A의 peak 전류를 나타냈다. 영구자석을 사용하는 BLDC 스타터 전동기에서도 유사한 수준의 전류가 예상되기에 코일 절연을 강화하고 코일에서의 저항강하로 인한 손실을 저감할 수 있는 설계가 되어야 할 것이다.

높은 전류를 사용하는 전동기는 필연적으로 높은 기자력을 가진다. 기자력은 턴 수와 흐르는 전류량에 비례하기 때문이다. 그리고 높은 기자력은 전동기 영구자석을 감자시킬 수 있는 위험이 된다. 따라서 감자해석을 통한 안정성의 영구자석의 신뢰성 확보가 필요하다⁽⁵⁾.

2.2.5 스타터 기동시간

스타터 전동기에게 요구되는 또 하나의 성능은 빠른 기동시간이다. 스타터 전동기는 정차시에 정지된 엔진을 빠르게 기동시키는 역할을 수행해야한다. 시험결과 엔진이 예열되지 않는 냉간시에는 7.1sec, 엔진이 충분히 예열된 열간시에는 1.27sec 내에 시동을 걸어주어야 한다. 1.27sec 내에 엔진을 시동을 걸어줄 수 있는 172rpm으로 도달시켜야 하는 것이다. 전동기로 보자면 이 속도는 7,777rpm이다. 엔진관성을 이겨내고 빠르게 회전하기 위해는 큰 기동토크가 요구된다.

2.2.6 스타터 기동토크

상용 시내버스용 스타터 전동기는 높은 엔진의 관성을 이겨내고 기동하기 위하여 매우 큰 기동토크를 요구한다. 그리고 기어 톱니들이 맞물려 돌아가는 엔진의 마찰력을 줄이기 위해서 사용되는 엔진오일 또한 기동토크를 키우는 원인이 된다. 엔진이 예열되기 전인 냉간시의 엔진오일은 점성이 강하여 최초 엔진의 기동을 어렵게 한다. 냉간시 필요로 하는 기동토크를 확인하기 위하여 DC전동기에서 기어부분을 제거하여 시험을 진행했다. 시험은 DC전동기로 인가되는 전류량을 조금씩 올려가면서 전동기의 토크의 변화를 측정했고 그 결과는 표 2에 나타나있다. 그림 7과 표 2를 조합해 보면 요구되는 토크를 유추해낼 수 있다. 엔진시동을 위한 엔진속도 172rpm에서 요구되는 스타터 전동기의 토크는 대략 3.59Nm 이상으로 보여진다. 그리고 그림 7에서 기동전류의 peak치는 1,100A지만 실제 유효한 전류 성분은 이 값의 절반으로 보여진다. 따라서 스타터 전동기가 기동에 필요한 토크는 대략 13.56Nm일 것으로 예상된다.

2.3 BLDC 스타터 전동기 설계결과

표 3은 상용 시내버스용 스타터 전동기 설계 사양을 나타낸다.

사용가능한 배터리 전압이 19V 이하이면서 정격속도는 7,777 rpm으로 고속이기에 역기전력에 의한 전압제한를 회피할 수 있도록 턴 수는 슬롯 당 5턴으로 설정했다. 그리고 기동시의 높은 토크를 내기 위하여 큰 전류가 필요한데 이 대전류 분배를 위하여 병렬회로를 3으로 사용하여 전류의 적절한 분배가 이루어지도록 했다. 전동기의 외경사이즈가 작기 때문에 권선을 감을 때의 점적률을 높이고 작업성을 높이기 위하여 코일은 직경 1.1mm 6reel로 사용하였다. 고온 환경에서 신뢰성을 확보하기 위하여 높은 내열등급을 가지는 F종을 사용하였고 영구자석은 UH등급을 사용하여 고온 환경에서의 운전에

대비했다. 기동시간 단축하기 위해서는 사이즈 내에서 기동토크를 높이는 설계를 진행하는 한편 회전자의 관성모멘트를 낮출 수 있도록 가능한 적층 높이를 낮게 70mm로 설계를 진행하였다.

2.4 BLDC 스타터 전동기 시험결과

표 4는 스타터 전동기 설계사양을 바탕으로 제작된 스타터 전동기의 성능시험 결과이다. 엔진의 기동속도 172rpm에 해당하는 전동기 속도 7,777rpm에서 요구되는 3.59Nm의 토크를 만족하였으며 기동토크 역시 만족하는 것을 확인할 수 있다.

마지막으로 기존 DC 전동기와의 성능을 비교하여 표 5에 나타냈다. 정격부하 시에는 BLDC 전동기가 51% 더 높은 토크상수를 나타냈지만 기동 부하시의 경우에는 오히려 DC 전동기 대비 13% 낮은 토크상수의 결과를 확인 할 수 있었다. 이는 BLDC 전동기에 사용되는 코어의 양이 DC 전동기에 사용되는 양보다 많기 때문으로 보인다. 전동기에서 사용되는 코어는 자속의 이동경로로 사용되어지는데 코어의 재질 특성상 인가하는 전류값 대비 선형적으로 자속량을 흘려주는 것이 아닌 코어 포화에 의한 자기포화가 발생했기 때문이다. 코어가 흘릴 수 있는 자속의 양은 정해져 있지만 높은 기동전류에 의해 만들어진 자속량이 많기 때문에 코어의 자기적인 포화가 발생하여 DC 전동기 대비 유사한 전류 값이 인가되더라도 토크 값은 작게 나왔다.