전기모터일까? 발전기일까?
전기모터(Electric Motor)는 전류가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치를 말합니다. 즉 전기를 이용해 회전력(구동력)을 얻는 것이지요. 전기모터의 작동원리는 전류가 흐르는 도체를 자기장 속에 놓으면 자기장 방향의 수직방향으로 전자기적인 힘이 발생하는 원리를 이용하는데요.
모터 내부에 설치된 영구자석 사이에 회전자를 설치하고 전류를 흘리면 전자력이 발생해 회전자가 회전하는 구조로 되어 있습니다. 이와 반대로 발전기(Generator)는 기계적인 힘을 빌려 자기장을 형성시켜 전기를 얻는 장치입니다. 즉 전기모터와 발전기는 구조가 거의 같지만 작동원리가 서로 반대라고 할 수 있습니다.
전기모터와 발전기는 자동차에서 아주 요긴하게 사용되고 있습니다. 우선 발전기는 엔진과 고무벨트로 연결되어 있는데 엔진동력으로 풀리를 회전시켜 전기를 생성하고 이 때 만들어진 전기로 배터리를 충전합니다. 또한 헤드라이트나 라디오 전원 등 자동차에 필요한 전원을 공급하는 역할을 합니다.
전기모터는 사용전원에 따라 직류 전기모터(DC 모터)와 교류 전기모터(AC 모터)로 구분할 수 있는데 직류모터의 경우 와이퍼를 작동시키거나 도어 유리를 개폐시키는 편의장치부터 속도계에 이르기까지 다양한 곳에서 사용되고 있습니다.
또한 교류모터의 경우 직류모터에 비해 상대적으로 큰 힘을 발휘하므로 전기차나 하이브리드차 등의 구동용 모터로 사용되고 있습니다. 그런데 하이브리드차에는 일반적인 전기모터가 아닌 모터-제너레이터(Motor-Generator)라는 조금은 특별한 장치를 사용하고 있습니다.
모터-제너레이터(줄여서 MG라고도 불립니다)는 기존 전기모터와 발전기를 합쳐놓은 형태로 작동상태에 따라 전기모터로 작동하거나 발전기 역할을 번갈아가며 작동할 수 있는 것이 특징입니다.
즉 하이드리드차의 고전압 배터리를 이용해 전기모터가 구동력을 발생시키지만, 감속을 위해 액셀러레이터에서 발을 떼거나 브레이크 페달을 밟게 되면 전기모터의 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜(이러한 작용을 회생제동이라고 합니다) 고전압 배터리를 충전하는 발전기 역할을 하게 됩니다.
모터-제너레이터는 하나의 모터로 발전기와 전기모터의 역할을 동시에 수행하지만 발전용과 구동용모터를 각각 사용하는 듀얼 모터시스템을 적용하는 경우도 있습니다.
폭스바겐그룹(아우디, 폭스바겐, 포르쉐)을 비롯해 BMW, 메르세데스-벤츠, 닛산(인피니티 포함), 현대기아 등은 하나의 모터로 발전용모터와 구동용모터를 동시에 사용하지만, 토요타와 혼다, 포드, GM 등은 발전용모터와 구동용모터를 각각 사용하는 듀얼 모터 하이브리드 시스템을 적용하고 있는 것이 특징입니다.
듀얼 모터 하이브리드 시스템(토요타 시스템의 경우)의 모터-제너레이터는 발전기 역할을 하는 발전용모터(MG1)와 차를 구동하는 구동용모터(MG2) 그리고 동력분할장치, 유성기어(감속기) 등으로 구성되어 있습니다.
엔진시동이 걸리면 엔진의 동력으로 발전용모터가 구동되고 여기서 발생되는 전기를 이용해 구동용모터를 작동시킵니다. 발전용모터는 고전압 배터리의 충전레벨이 낮을 경우 고전압 배터리를 충전하는 역할도 합니다.
또 구동용모터는 고전압배터리 혹은 발전용모터로부터 공급받는 전원을 바탕으로 하이브리드차 엔진과 함께 차를 구동하는 동력원을 발생시키고, 회생제동 때에는 고전압 배터리를 충전하는 발전기 역할을 수행합니다.
최근에는 발전용으로만 사용되는 발전용 모터를 급가속 등 큰 힘이 필요한 경우 구동용모터로 전환해 기존 구동용모터의 역할을 보조함으로써 보다 다이내믹하고 빠른 응답성을 제공하는 하이브리드차가 등장하고 있기도 합니다.
한편 이러한 모터-제너레이터는 하이브리드차 뿐 아니라 전기차와 수소연료전지차와 같이 전기모터를 동력으로 하는 친환경차에도 적용되고 있습니다. [김아롱 기자=카테크]