국내외 연구현황

가. 동축 마그네틱 기어 연구현황

높은 토크 밀도의 동축 마그네틱 기어 등장으로 인한 관련 연구 활성화는 마 그네틱 기어에 관련된 발표논문 수에서도 확인할 수 있다. 2001년부터 2019년 까지 IEEE에서 마그네틱 기어와 관련하여 발표되거나 게재된 700여 건의 논문 을 분석했으며 그림 2-4에 흑색 선으로 나타낸다. 2000년대 초반에는 기술 도 입기 임에도 불구하고 매년 꾸준한 연구가 이루어졌으며 2010년부터는 크게 활 성화됐음을 알 수 있다. 대부분 논문에서 Atallah의 동축 마그네틱 기어를 응용 하여 높은 토크 밀도의 마그네틱 기어를 나타냄을 주요 주제로 발표하였다 [24-26]. 또한, Gouda 등이 발표한 논문에서는 기계식 기어와 동축 마그네틱 기어를 직접적으로 비교하였으며, 토크 밀도 측면에서 동축 마그네틱 기어가 기 계식 기어를 충분히 대체 가능하다는 결론을 나타내었다[27]. 이러한 마그네틱 기어의 높은 토크 밀도에 대한 신뢰성은 동축 마그네틱 기어의 핵심 기술인 마 그네틱 기어링 효과(Magnetic Gearing Effect)를 응용한 다양한 연구 착수를 촉 진하였고, 미래형 신개념 전동기 연구의 기반기술이 되어 활발한 연구가 진행 중 이다.

그림 2-4. 마그네틱 기어 연구현황 Fig. 2-4. Magnetic Gear Research Trend

나. 동축 마그네틱 기어 기술의 중요성 및 활용

마그네틱 기어를 접목한 미래형 신개념 전동기는 자동차의 동력으로 활용되는 방안이 적극적으로 검토되고 있다. 자동차는 그 특성상 넓은 파워 밴드 특성과 넓은 범위의 회전속도에 걸쳐 고효율 전동기가 요구된다. 하지만 이들에 사용되 는 Blushless DC Motor, Synchronous Motor, Induction Motor 등은 정격운전지 점에서 멀어질수록 효율이 감소한다. 특히, 고속에서의 약계자 제어로 인한 급격 한 효율 감소가 문제점으로 지적된다. 일반 내연 자동차와 같이 기계식 트랜스미 션이 적용된다면 해당 문제는 쉽게 해결이 될 수 있다. 하지만 기계식 트랜스미 션의 유지보수 및 파손의 문제점, 크기 및 중량의 상승 등으로 전동기만 단일로 사용하는 직접 구동(Direct Drive)이 더 매력적인 선택지가 되어 자동차를 비롯 하여 가전 및 다양한 전동기 응용 분야에 적용되고 있다.

한편, 마그네틱 기어를 전동기와 직접 결합하는 아이디어가 2007년 Chau 및 Jian 등에 의해 실현되었다. 전동기에 마그네틱 기어링 효과를 접목한 마그네틱 기어드 머신 (Magnetic-geared Machine)은 마그네틱 기어와 전동기를 결합하는 개념이지만, 이 둘을 샤프트에 기계적으로 연결한 것이 아닌 기어와 전동기가 하 나의 기기로 통합된 새로운 개념으로 나타내었다[28-29]. 고효율의 넓은 운전특 성, 높은 출력밀도로 인해 2008년에는 동축 마그네틱 기어를 제안한 Atallah도 해당 연구를 발표하여 동축 마그네틱 기어의 기술을 활용한 응용연구의 시작을 알렸다[30]. 이후 Atallah 등은 동축 마그네틱 기어의 기술을 바탕으로 마그네틱 기어드 머신에 대한 연구활동을 활발히 하고 있다. 또한, 관련 회사로 추정되는 영국 Sheffield의 Magnomatics사(社)에서는 마그네틱 기어드 머신의 상용화를 위 한 개발을 진행 중이다. 그림 2-5는 Magnetic-geared Machine을 나타낸다.

이외에도 마그네틱 기어링 효과를 사용하는 기기로는 별도의 오랜 역사를 갖 는 Vernier Machine이 대표적이다. 연구통계에 따르면 주춤했던 관련 연구가 동 축 마그네틱 기어 발표 후 활발해지고 있으며 응용된 Vernier Machine에 대한 연구도 보고 되었다[31-32]. 또한, 이들을 융합, 개선 한 Flux-modulating Machine, Hybrid Excitation Machine, Switched Flux Machine 등도 활발히 연 구되고 있다[33-34]. 이들은 기존의 전동기가 가진 단일 운전점의 한계를 넘어, 다수의 운전점 및 높은 토크밀도를 나타낼 것으로 전망되고 있으며 최근 Audi 전기차로의 적용도 검토되고 있다[35-36]. 미래형 전동기인 마그네틱 기어링 관련 연구는 그림 2-4의 적색 선과 같이 매년 증가하는 추세이다.

(a) Chau의 Magnetic-geared Machine

(b) Atallah의 Magnetic-geared Machine

(c) Spooner의 Vernier Machine (d) Niu의 Vernier Machine 그림 2-5. 마그네틱 기어링 효과를 이용한 기기

Fig. 2-5. Devices using Magnetic Gearing Effect

다. 국내 연구현황

마그네틱 기어링 효과와 관련된 국제적인 활발한 연구 가운데 그림 2-4의 청 색 선과같이, 국내 연구진은 2015년에 들어서 동축 마그네틱 기어와 관련된 최 초 연구 활동을 국제 저널에 보고했다. 매년 지속적인 연구성과를 나타내고 있으 나 전체 관련 연구의 1~2% 수준이다. 또한, 연구 착수가 늦은 만큼 기술적인 측면, 정보적인 측면에서 불리하고, 대부분 논문에서 동축 마그네틱 기어의 기본 적인 특성분석 및 기존 기술의 답습 연구를 주로 다루고 있다. 마그네틱 기어는 언급한 것과 같이 미래 구동 전동기의 기반기술이 되며, 기계식 기어의 문제가 빈번한 분야에서 기계식 기어를 대체할 수 있는 신개념 동력 변환장치로 전망되 기 때문에 관련된 설계 및 분석 기술의 확보 및 국산화는 매우 중요하다.