신에너지 자동차 산업이 해마다 발전함에 따라 전기차의 생산량과 판매량이 폭발적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 고성능·고효율 모터에 대한 수요도 점점 커지고 있습니다. 공업정보화부와 발전개혁위원회는 계획을 통해 다음과 같이 제시했습니다. 2025년까지 승용차의 출력 밀도를 4kW/kg 이상으로 달성함으로써 모터의 더 높은 출력 밀도 추구를 더욱 촉진할 것입니다. 전기구동 시스템의 고효율화, 경량화, 소형화 및 저비용화는 향후의 주요 트렌드입니다. 또한 전기구동 시스템의 통합화와 모터의 플랫 와이어화는 경량화와 소형화를 실현하는 핵심 기술로 부각되고 있습니다. 플랫 와이어 권선은 원형 와이어 권선에 비해 독특한 장점을 보유하고 있어 빠르게 발전하고 있으며, 신에너지 차량용 모터 연구와 개발에서 핫한 주제가 되고 있습니다. 플랫 와이어 모터는 국내외에서 널리 채택되고 있으며, 신에너지 차종의 플랫 와이어 모터 도입률은 해마다 증가하고 있습니다. 본 논문에서는 플랫 와이어 권선 기술을 간략히 소개하고, 플랫 와이어 모터의 우수성을 비교·분석하여 입증하고자 합니다. 소개 헤어핀 모터의 생산 제조 공정, 최근 몇 년간 편선 모터에 적용된 신기술과 신공정, 그리고 향후 최적화 연구 방향을 정리하여 편선 모터 연구에 참고 자료를 제공합니다.
1. 편선 모터 기술 개요
바형 권선 모터( 바형 권선 모터는 국내에서 흔히 '편선 모터'로 불립니다. 편선 모터 기술이란 모터의 고정자에 기존의 원형 구리 와이어 권선 대신 편평한 구리 와이어를 사용하는 것을 말하며, 편평한 와이어 권선의 특수한 구조에 맞춰 독특한 고정자 및 회전자 구조의 최적화, 냉각 방안의 최적화, 제어 방식의 최적화 등 다양한 기술을 총칭합니다. 여기서 편평한 구리 와이어 권선이란 모터 고정자의 슬롯 형상 등이 변경되고, 기존의 가늘고 많은 원형 도체 대신 적고 굵은 직사각형 도체를 사용해 권선을 구성하는 것을 의미합니다. 편선 모터는 작은 크기, 높은 슬롯 충전율, 높은 출력 밀도, 우수한 NVH 성능, 더 나은 열전도 및 방열 성능 등의 장점을 바탕으로 신에너지 자동차 분야에서 널리 활용되고 있습니다.
2. 편선 모터와 원선 모터의 비교

모터의 에너지 손실은 주로 모터의 구리 손실, 모터의 철 손실, 공기 마찰 손실 및 산재 손실로 구성되며, 이 중 모터 구리 손실이 약 70%를 차지합니다. 따라서 모터 구리 손실을 줄이면 모터의 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있으며, 모터의 출력 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 직류 구리 손실 계산식은 식( 1) 도시한 바와 같이, 편선 권선은 직사각형 구조의 구리선을 사용함으로써 원형 구리선 권선에 비해 둥글고 가는 구리선과 달리 단면적 변화가 두드러지며, 이로 인해 권선 저항을 효과적으로 낮춰 구리 소모를 줄일 수 있습니다. 또한 직사각형 도체 권선은 가는 원형 도체 권선에 비해 편선 간 간격이 더 좁아 동일한 고정자 홈 부피에서 더 많은 권선 구리선을 장착할 수 있어 홈 충전율이 더욱 높습니다. 원형 선 모터의 홈 충전율은 약 40%인 반면, 편선 모터의 홈 충전율은 최대 70%에 달합니다. 높은 홈 충전율을 통해 동일한 출력을 내는 편선 모터는 구리선의 충전량이 적어지고, 고정자 철심 및 끝부분의 크기를 줄일 수 있어 모터의 전반적인 크기도 작아지게 됩니다. 이는 자재 절감 효과와 함께 모터의 출력 밀도를 더욱 향상시키는 결과를 가져옵니다.

플랫 와이어 모터는 원형 와이어 모터의 스테이터에 비해 슬롯 크기가 더 작아, 톱니 간섭 토크를 효과적으로 줄여 전자기 노이즈를 감소시킬 수 있습니다. 또한 직사각형 도선은 강성이 더 높아 아르마추어 소음도 억제하는 효과가 있으며, 로터 자극과 구조를 최적화함으로써 더욱 우수한 성능을 발휘합니다. NVH 성능[1].

플랫 와이어 모터 권선의 끝부분은 파형, 삼각형, 계단형 등 특수한 형태로 감겨 있습니다. 그림과 같습니다. 그림 2에 나타난 바와 같이, 권선 끝부분의 치수를 효과적으로 줄여 소형화와 경량화를 실현하는 데 유리합니다[2]. 또한 직사각형 도체 덕분에 내부 공극이 줄어들고, 도체 간 및 도체와 철심 홈 간의 접촉 면적이 넓어져 열전도성과 방열 성능이 향상됩니다. 권선 끝부분의 도체 사이에는 최소한의 공기 간격을 유지하여 방열이 더욱 용이하며, 끝부분 분사 냉각 기술과 결합해 평판형 모터의 방열 성능을 더욱 개선할 수 있습니다. 낮은 온도 상승 조건에서는 차량 전체가 더 나은 가속 성능을 발휘하며, 차량의 고온 동력성까지 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

플랫 와이어 모터에도 단점이 있으며, 이는 피부효과의 영향을 크게 받습니다. 피부(집피) 효과란, 도체 내부에 교류 전류나 교번 자기장이 존재할 때 도체 내부의 전류 분포가 균일하지 않아 도체 표면에 가까운 부분일수록 전류 밀도가 높아지는 현상을 말합니다. 이로 인해 유효한 전류가 흐르는 구리선의 면적이 줄어들고, 결과적으로 권선의 등가 저항이 증가하며 고주파 교류 손실이 커지게 됩니다. 도체의 길이와 폭의 비율, 배치 방향, 권선의 위상 분배 등은 모두 피부효과에 영향을 미치며, 동일한 슬롯에서 같은 위상으로 권선을 감을 경우 이질적 슬롯에서 권선을 감을 때보다 피부효과가 더욱 심각하게 나타납니다. 동일한 슬롯 깊이와 너비 조건에서 도체 층 수를 늘리는 것이 피부효과를 줄이는 데 유리하며, 고속 회전 시 모터의 교류 손실을 줄여 모터 성능을 향상시킬 수 있습니다. 플랫 와이어 모터의 발전을 제한하는 또 다른 요인은 자동화 생산라인이 매우 비싸다는 점으로, 이는 원형 와이어 스테이터 자동 생산라인에 비해 상대적으로 높은 비용을 수반합니다. 2~3배, 기업의 초기 투자가 막대합니다.
3. 편선 모터의 분류
플랫선 모터는 제품 유형에 따라 집중 권선 플랫선 모터와 파형 권선 플랫선 모터로 구분됩니다. 헤어핀(발카) 플랫 와이어 모터는 헤어핀 플랫 와이어 모터 기술이 널리 채택된 주류 기술입니다.

집중 권선은 평형 구리선을 사용해 단일 치아 권선으로 제작하며, 그 모습은 그림과 같습니다. 3(a)에 나타낸 바와 같이, 하나의 톱니에 하나의 단일 권선을 설치합니다. 이 구조는 짧은 스팬의 코일 끝부분 덕분에 끝부분 치수를 효과적으로 줄일 수 있으며, 공정 면에서도 헤어핀 평선 모터에 비해 더 간단합니다. 그러나 이 구조는 분수 차수 고조파가 많아 토크 맥동이 크고 방사력이 복잡하다는 단점이 있습니다. 톱니 홈 토크와 토크 맥동을 줄이기 위해서는 조립 공정에서 원형도, 동축성 및 톱니 간 균일한 배치를 철저히 보장해야 하며, 그만큼 조립 요구사항이 더욱 높습니다. 집중 권선 기술은 산업용 모터 분야에서 많이 활용되고 있으며, 신에너지 자동차 모터 분야에서도 일부 제조사들이 이를 연구하고 적용하고 있습니다. 예를 들어 혼다(Honda)는 자사의 어큐라 하이브리드 차량에 이 기술을 도입했는데, 독특한 분수 슬롯 집중 권선과 분절형 고정자 구조 및 관련 최적화 기술을 통해 우수한 성과를 거두었습니다. 집중 권선 기술을 채택한 송정 270 시리즈 PHEV-P2 모터는 그림 3(b)와 같이 하이브리드 구동 방식에 특유의 장점을 발휘하며 널리 활용되고 있습니다.

파형 권선 편선 모터는 권선을 연속적으로 감아 일체형으로 성형한 후 삽입하거나, 또는 권선과 동시에 고정자 슬롯에 삽입하면서 물결 모양의 끝부분을 형성합니다. 이는 비교하여... 헤어핀 편선 모터는 납땜 부위가 없어 권선 끝부분의 높이를 더욱 줄일 수 있으며, 이로 인해 모터의 크기를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 이 유형의 고정자 어셈블리 슬롯 치수는 비교적 넓어 톱니 간 전자기 토크가 커지고 토크 맥동이 높아 NVH 성능이 다소 떨어지므로, 전자기 다목적 최적화 설계 및 기타 조치를 병행하여 개선해야 합니다. 또한 이 모터는 헤어핀 모터에 비해 생산 비용이 더 높습니다. 헤어핀(U-pin)은 권선 형태가 '머리빗'과 같다고 해서 '머리빗 권선'이라고도 불리며, 에나멜 처리된 편평한 구리선의 한쪽 끝을 미리 U자형으로 성형한 후 고정자 철심 슬롯에 삽입하고, 다른 쪽 끝은 꼬아서 개구리 다리 모양으로 가공한 다음 서로 용접해 물결 모양의 권선을 형성합니다[3]. 또 다른 I-PIN 권선 공법은 직선 구리선을 바로 고정자 철심 슬롯에 삽입한 후 양 끝을 동시에 꼬아 개구리 다리 모양으로 가공해 용접함으로써 U-PIN 권선에서 필요했던 사전 성형 공정을 생략합니다. U-PIN과 I-PIN 편선 권선은 모두 2세대 축방향 매립 권선에 속하며, 두 방식 간에는 최고 효율과 최대 토크 면에서 큰 차이가 없습니다. 다만 I-PIN 권선은 U-PIN 권선에 비해 슬롯 충진률이 높고 지속 토크와 지속 출력이 더 뛰어납니다. 또한 I-PIN 권선은 납땜 부위가 두 배 많아 권선 끝부분의 크기가 약간 커지고, 납땜 부위의 고장 위험도 더 높습니다. 현재 국내외에서 널리 사용되고 있는 권선 공법은 바로 헤어핀 권선 공법입니다.
4. 카드 발급 코일 공정

발카 기술은 대규모, 고품질, 저주기의 고정자 생산 기술로, 이 공정 체인은 주로 다음 다섯 단계로 구성됩니다: 성형(에나멜 코팅된 구리 평선의 직선화, 피복 제거, 절단, 굽힘), 삽입(고정자 슬롯 내 부싱 및 발카 권선 조합 삽입), 토우링, 용접 및 절연. [4]. 공정 단계를 도식적으로 나타낸 그림은 그림 4와 같습니다.

권선 구리선 간에는 절연 도료로 절연하는 것 외에도, 고정자 홈의 홈 라이닝을 추가하여 도체들을 서로 분리함으로써 권선 간 또는 도체와 고정자 철심 간의 직접 접촉을 방지하고, 절연 성능을 향상시키며 단락 보호 기능을 강화합니다. 따라서 절연 홈 종이를 삽입해야 하며, 일반적인 홈 종이의 형태는 다음과 같습니다. O형, C형, B형, S형 등은 그림5와 같습니다. B형 홈 라이닝은 S형 홈 라이닝의 모서리 부분에 생기는 틈새를 없애고, 단락 고장에 대한 보호 기능을 강화했습니다[5].

종이 삽입 공정에서는 절연 홈 종이를 미리 고정자 홈에 삽입하며, 편평한 도선의 층수가 증가함에 따라 공정의 난이도도 크게 높아집니다. PIN 성형 공정에는 프레스 성형, 스프링 머신, CNC 장비를 이용한 자동 성형 등이 있습니다. 전자는 성형 속도가 빠르고 비용이 낮지만 구리선에 대한 손상이 크며, 후자는 범용성이 뛰어나 구리선 손상이 적으나 장비 비용이 높습니다. PIN 성형 후에는 사전에 형상 맞춤 공구에 삽입하여 성형하며, 편평한 와이어의 층수가 증가할수록 서로 다른 와이어 간 자동 삽입의 어려움도 커집니다. 이후 형상 맞춤 공구에 있는 모든 PIN을 철심의 설계 치수에 맞춰 일괄적으로 삽입하는데, 이 공정에서는 장비의 정밀도가 매우 중요합니다. 그 다음 확장, 헤드 꼬임, 평탄화 공정을 거쳐 권선의 끝부분을 매끄럽게 다듬어 용접하기 쉽도록 합니다. 현재 편평한 와이어 모터에서는 TIG 용접과 레이저 용접이 가장 보편적이며, 일부 기업들은 CMT 냉간 용접과 같은 다른 용접 방법을 시험 중입니다. 용접이 완료된 후에는 먼저 권선의 전기적 특성을 검사하고, 상별 저항 및 인덕턴스와 그 균형 상태를 확인하며 내전압 및 내저항 시험을 실시합니다. 이러한 검사와 시험을 통과한 후에야 도포 작업을 진행합니다. 도포 공정은 사용하는 재료에 따라 분말 도포와 액체 도포로 나뉘며, 두 공정의 순서는 다릅니다. 분말 도포는 먼저 도포 후 임페러를 침지시키는 방식을 사용하며, 액체 도포는 먼저 임페러를 침지한 후 도포하는 방식을 따릅니다. 임페러 침지 공정은 재료에 따라 전통적인 침지 방식, 진공 침지 방식, 진공 압력 침지 방식, 드립 침지 방식, EUV 침지 방식 등이 있습니다.
5. 연구 발전 동향
5.1, 도체 층 수가 점차 증가함

그림과 같이 그림 6에 나타낸 바와 같이, 도체 층 수를 늘리면 교류 구리 손실을 효과적으로 줄여 모터의 전체 구리 손실을 감소시키고 모터의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다. 피부효과로 인한 고속 교류 손실을 더욱 줄이기 위해, 발카 모터에서는 도체 층 수를 증가시키는 방법을 통해 이를 최적화하고 있으며, 이미 적용된 4층, 6층, 8층 방안에서 현재 연구 중인 12층, 16층 방안에 이르기까지 도체 층 수가 점차 증가하는 추세입니다. 연구의 주요 난제는 공정 수준의 한계와 제조 비용의 통제에 있습니다[6].

5.2, 절연 최적화

보다 복잡한 절연 홈 종이로 인해 설치 공정의 단계가 더욱 복잡해지고, 동시에 CNC 설치 장비의 정밀도에 대한 요구도 높아지면서, 보다 우수한 절연 공정에 대한 연구가 중요한 방향으로 떠오르고 있습니다. 쉐보레 볼트 모터는 절연 홈 라이닝을 간소화하고, 보다 간단한 2부분형 홈 절연을 사용하여 권선이 고정자 철심으로 단락되지 않도록 보호합니다. 새로운 설계는 그림7(a)와 같이 나타나며, S형 및 B형 절연 홈 라이닝에 비해 도체 간의 절연을 제거함으로써 홈 충전율을 더욱 향상시키고, 고정자 제조 공정을 간소화했습니다. 또한, 홈 내 전선 간의 전위 차를 최소화하기 위해 제너럴 모터사는 권선 배치 등에 대한 관련 최적화를 실시했습니다. 또한, 도체 기초 절연층 외부에 고분자 폴리머 절연층을 추가로 적용하는 방식도 활용되고 있으며, 이는 그림7(b)와 같이 홈 라이닝을 생략함으로써 권선 권간 절연 문제를 해결하고 생산 공정을 간소화하는 데 기여합니다[2].

5.3, 오일 냉각 기술의 광범위한 도입 권선의 열은 홈 내부의 절연층을 통과해야 합니다. -고정자 철심과 기체 간의 긴 경로를 통해만 물이 흘러가며, 이 과정에서 발생하는 열저항으로 인해 국부적인 고온 지점이 쉽게 형성되어 수냉식 냉각 방식의 효율이 떨어지게 됩니다. 오일 냉각은 직접적으로 열원에 접촉할 수 있으며 모터의 자기회로에도 영향을 미치지 않아 냉각 효율이 더욱 뛰어난 오일 냉각 기술이 연구의 핫 이슈로 떠오르고 있습니다. 모터의 주요 열원은 권선의 끝부분에 집중되며, 플랫 와이어 모터는 독특한 끝부분 분사 냉각 방식을 통해 보다 효과적으로 열을 제거할 수 있습니다. 오일 루프 냉각, 분사 냉각, 축 중심 원심력 이용 냉각, 고정자 밀폐 순환 오일 냉각 등의 기술들이 플랫 와이어 모터에서 폭넓게 연구되고 적용되고 있습니다.
6. 결론
신에너지차의 급속한 발전으로 인해 편선모터는 독특한 장점을 바탕으로 광범위하게 활용되고 있으며, 그 보급률은 해마다 높아지고 있습니다. 편선모터는 신에너지차 모터의 소형화, 경량화 및 고출력 밀도화와 관련해 중요한 응용 연구 의의를 지니고 있습니다. 본 논문에서는 편선모터가 기존 원선모터에 비해 갖는 장점과 주류인 플레이트형 권선의 제조 공정 과정, 그리고 편선모터 기술의 연구 동향과 발전 방향을 간략히 분석하고 소개함으로써, 편선모터 및 관련 기술에 대한 이해와 연구를 강화하는 데 참고 자료를 제공하고자 합니다. 출처: 충칭교통대학 기계전자·차량공학원 란펑위