전기 모터의 원리 — 0rpm부터 최대 토크가 나오는 이유

내연기관은 연료를 태워 폭발시키고, 그 힘으로 피스톤을 밀어 크랭크축을 돌립니다. 왕복 운동을 회전 운동으로 바꾸는 복잡한 과정입니다. 전기 모터는 처음부터 회전합니다. 전기차의 여러 특성이 이 차이 하나에서 나옵니다.

이 글은 전기 모터가 어떻게 힘을 만드는지, 그리고 왜 전기차의 가속감이 내연기관과 다른지 정리합니다.

기본 원리 — 자석은 밀고 당긴다

모터의 원리는 자석 두 개로 설명됩니다. 같은 극끼리는 밀어내고 다른 극끼리는 끌어당깁니다.

모터는 바깥쪽 고정자(스테이터)와 안쪽 회전자(로터)로 이루어집니다. 고정자 코일에 전류를 흘리면 자기장이 생기고, 그 자기장이 회전자를 끌어당깁니다. 회전자가 따라붙으려는 순간 고정자의 자기장 방향을 바꿔 버리면, 회전자는 계속 쫓아가면서 회전하게 됩니다.

이 "자기장 방향을 계속 바꾸는" 일을 하는 것이 교류 전기이고, 배터리의 직류를 교류로 바꿔 이 작업을 조율하는 장치가 인버터입니다. 가속 페달을 밟으면 인버터가 교류의 주파수와 세기를 조절해 회전 속도와 토크를 바꿉니다.

회전자에 자기장을 만드는 세 가지 방법

왜 전기차는 처음부터 튀어나가나

전기차를 처음 타면 가장 먼저 느끼는 것이 초반 가속입니다. 이유는 토크가 나오는 방식에 있습니다.

내연기관은 공기와 연료를 빨아들여 압축하고 폭발시키는 과정이 필요해서, 회전이 어느 정도 올라와야 제 힘이 납니다. 그래서 변속기로 회전수를 알맞은 구간에 붙들어 둡니다.

전기 모터는 전류를 흘리는 순간 자기장이 생기므로 정지 상태에서 최대 토크가 나옵니다. 아이오닉9 성능형 AWD의 700Nm이 출발 순간부터 사용 가능하다는 뜻입니다.

그래서 변속기가 없다

대부분의 전기차에는 다단 변속기가 없습니다. 감속기 하나만 두는 것이 일반적입니다. 모터가 넓은 회전 영역에서 쓸 만한 힘을 내기 때문에 기어를 바꿔 가며 회전수를 맞출 이유가 적습니다.

덕분에 변속 충격이 없고 가속이 매끄럽습니다. 부품이 줄어 정비 요소도 함께 줄어듭니다. 유지비 차이는 전기차 정비에 정리했습니다.

거꾸로 돌리면 발전기가 된다

모터의 또 다른 특성은 가역성입니다. 전기를 넣으면 회전하지만, 반대로 바깥에서 회전시키면 전기가 만들어집니다.

이것이 회생제동의 원리입니다. 가속 페달에서 발을 떼면 바퀴가 모터를 돌리고, 모터는 발전기가 되어 전기를 배터리로 돌려보냅니다. 이때 발생하는 저항이 감속력으로 작용합니다.

모터는 시끄럽지 않다 — 다른 소리가 들릴 뿐

폭발 과정이 없으니 엔진 소음이 사라집니다. 대신 그동안 엔진 소리에 묻혀 있던 노면 소음과 바람 소리가 드러납니다. 전기차에서 타이어 선택이 정숙성에 크게 작용하는 이유입니다.

저속에서는 보행자 안전을 위해 인위적인 주행 경고음을 내도록 되어 있습니다. 고장이 아닙니다.

마무리

전기 모터는 고정자의 자기장 방향을 계속 바꿔 회전자를 끌고 도는 방식으로 힘을 만듭니다. 0rpm부터 최대 토크가 나오기 때문에 변속기가 필요 없고, 초반 가속이 즉각적입니다.

또 거꾸로 돌리면 발전기가 되는 성질 덕분에 회생제동이 성립합니다. 모터 종류별 효율 차이는 모터의 종류에서, 모터 개수에 따른 실제 성능 차이는 싱글 vs 듀얼모터에서 이어집니다.