인휠 모터

왜 배우는가: 인휠 모터는 전기차 구동계의 구조를 바꾸는 부품이라 차세대 전기자동차 설계에서 빠지지 않고 다뤄진다. 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에 모두 나오는 개념이므로 정의와 장단점을 함께 준비해야 한다.

출제 이력: 제126회 2교시 2번, 제125회 1교시 12번, 제96회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인휠 모터는 구동모터를 바퀴의 허브 안에 내장해 그 바퀴를 직접 구동하는 전동기이다. 중앙 구동모터 방식은 동력을 변속기와 구동축을 거쳐 바퀴로 보낸다. 인휠 모터는 이 동력 경로를 바퀴 안으로 옮겨 전달 부품을 줄인 구조이므로, 구동 효율을 높이고 엔진룸과 구동축 공간을 줄여 차실 공간을 넓힐 수 있다.

인휠 시스템은 구동모터, 제어기, 현가장치, 조향장치, 마찰 제동장치, 휠로 구성된다. 이 가운데 구동모터가 바퀴 허브에 들어가므로 바퀴 내부의 공간 설계와 충격 대응 설계가 함께 중요해진다. 따라서 인휠 모터는 모터 하나의 문제가 아니라 차량 섀시 전체와 함께 설계해야 하는 부품이다.

구조는 크게 두 가지로 나뉜다. 회전자가 허브에 직접 결합되는 직결형은 구조가 단순하고, 토크를 보완하려고 감속기를 내장한 형식은 바퀴 안의 기계 부품이 늘어나 설계 여유가 줄어든다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 인휠 모터: 바퀴 허브 안에 들어가 바퀴를 구동하는 전동기 자체를 가리킨다.
• 허브 모터: 인휠 모터와 같은 구조를 가리키는 말이며 전기자전거에 흔히 쓰이는 명칭이다.
• 직접구동: 감속기나 변속기를 거치지 않고 모터 출력이 바퀴로 바로 전달되는 방식이다.
• 브러시리스 DC 모터: 브러시 없이 전자적으로 전류를 바꾸어 회전시키는 전동기이다.
• 비스프링 질량: 현가장치 아래에 있는 바퀴, 타이어, 휠처럼 차체를 지지하지 않는 질량이다.
• 토크 벡터링: 바퀴마다 구동 토크를 따로 배분해 선회와 차체 자세를 조절하는 제어이다.
• 회생제동: 감속할 때 모터를 발전기로 써서 생긴 전기를 배터리에 되돌리는 제동이다.

2. 개념 풀이

인휠 모터의 정식 정의는 회전자(로터)가 바퀴 허브와 결합되어 바퀴를 직접 회전시키는 구동모터이다. 구조는 회전자가 고정자(스테이터)의 바깥을 감싸는 외전형(外轉型)이 대표적이며, 고정자는 차축 쪽에 고정되고 회전자가 휠과 함께 돈다. 인휠 모터는 브러시리스 DC 모터 형식이 대표적이다.

원리는 전동기의 토크 발생 원리와 같다. 고정자 권선에 흐르는 전류가 만든 자기장이 영구자석 회전자와 상호작용하여 회전력이 생기고, 이 회전력이 허브를 거쳐 바퀴에 직접 전달된다. 토크는 전류의 크기로 조절되므로 제어기가 가속 요구에 맞춰 바퀴 토크를 전자적으로 조절한다. 회전자의 위치는 레졸버 센서로 검출하여 전류의 위상을 맞춘다.

제어기는 바퀴마다 토크 명령을 받아 인버터 스위칭을 제어한다. 각 바퀴의 토크 합이 운전자 요구 토크와 맞도록 분배하는 로직이 필요하다. 고토크를 내면 발열이 커지므로 유랭식 또는 수랭식 냉각 방식이 함께 적용된다.

감속할 때는 회전자가 바퀴의 운동 에너지로 돌며 발전기로 작동하여 전기를 배터리에 되돌린다. 바퀴마다 회생 토크를 조절할 수 있어 제동 에너지 회수를 정밀하게 조절할 수 있다.

바퀴마다 토크를 독립 제어할 수 있는 것이 인휠 모터의 핵심 원리이다.

외전형 회전자는 회전자가 고정자 바깥에 위치하는 형식이다. 다극 구조를 만들기 쉬워 고토크 출력에 유리하고, 바퀴 안의 제한된 공간에 맞추기 좋다.

직접구동은 감속기나 변속기 없이 모터 출력이 바퀴 축으로 바로 전달되는 방식이다. 기계적 손실이 줄어드는 장점이 있으나, 저속에서 큰 토크가 필요하면 감속기를 더하는 설계도 함께 쓰인다.

토크 벡터링은 좌우와 전후 바퀴의 구동력을 따로 배분하여 선회 성능과 차체 자세를 조절하는 제어이다. 인휠 모터는 바퀴별 토크를 빠르게 바꿀 수 있어 이 제어를 구현하기에 적합하다.

3. 등장 배경과 필요성

인휠 모터의 출발점은 전기자전거용 구동장치이다. 구조가 단순해 자전거에서 먼저 채택되었다. 허브 모터는 초기 전기자동차에서도 좋은 평가를 받았으나, 최근의 양산 승용차에서는 상업적으로 크게 성공하지 못하였다. 바퀴에 걸리는 동적 하중이 커져 조종성이 나빠지고, 바퀴 근처에 놓인 모터가 충격과 외부 손상에 취약하기 때문이다.

다시 주목받는 이유는 차량 설계의 자유도에 있다. 구동모터를 바퀴 안에 두면 차체 구조가 단순해지고, 2륜 구동이나 4륜 구동 배치를 간단히 구성할 수 있다. 엔진룸의 대형 모터를 없앨 수 있어 차실 공간이 넓어지고, 그만큼 추가 배터리를 배치할 여유도 생긴다.

제어 측면에서도 필요성이 크다. 바퀴 단위의 정밀한 토크 제어가 가능하므로 제로턴(제자리 회전)과 크랩주행(옆 방향 이동) 같은 특수 주행이 구현된다. 주차장처럼 좁은 공간에서의 기동성을 높이는 기능으로 쓰일 수 있다.