전동 항공기용 고효율 모터 제어 및 하드웨어 설계 트렌드

1. 전동 항공기의 부상과 고효율 모터 시스템의 필요성

최근 항공 산업은 탄소 배출 감축과 친환경 기술 도입을 목표로 전동 항공기 개발에 박차를 가하고 있다.

전동 항공기는 배터리, 연료전지 또는 하이브리드 전원 시스템을 기반으로 한 전기 추진 방식을 활용하여 기존 화석 연료 기반의 항공기보다 친환경적이고 효율적인 운용이 가능하다.

전동 항공기의 핵심 기술 중 하나는 고출력·고효율 전기 추진 모터다.

일반적인 항공기 엔진과 달리 전기 모터는 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있으며, 정밀한 속도 및 토크 제어가 가능하다. 그러나 기존의 전기 모터 기술을 그대로 항공기에 적용하기는 어렵다.

고출력 밀도, 경량화, 효율성 향상, 열관리 및 신뢰성 확보가 필수적인 과제로 떠오르고 있기 때문이다.

1. 고출력 밀도(Power Density) 확보의 중요성
   • 항공기에서는 무게가 성능과 직결되므로, 모터의 중량 대비 출력(W/kg)을 극대화하는 것이 필수적이다.
   • 이를 위해 높은 전류 밀도를 유지하면서도 손실을 최소화하는 전력 변환 및 제어 기술이 필요하다.
2. 효율성 향상을 위한 전력 변환 최적화
   • 항공기 배터리는 한정된 에너지를 저장할 수 있기 때문에, 전기 모터와 인버터의 효율을 극대화하여 운항 거리를 늘리는 것이 핵심이다.
   • 고전압 시스템(>500V) 및 차세대 반도체 기술(SiC, GaN)을 활용한 인버터가 필수적이다.

전동 항공기의 상용화를 위해서는 이러한 요소를 고려한 모터 시스템의 설계 및 최적화가 필수적이며, 이를 구현하기 위한 기술적 접근법이 요구된다.

 

 

2. 전동 항공기용 고효율 모터 제어 기술

전동 항공기에서 모터의 성능을 극대화하려면 정밀한 제어가 필수적이다.

이를 위해 최신 전력 변환 및 모터 제어 기법이 적용되고 있으며, 특히 다음과 같은 기술이 주목받고 있다.

1. 고전압 구동과 고속 스위칭을 통한 손실 최소화
   • 항공기 모터는 높은 전력과 속도를 필요로 하므로, 고전압(800V~1000V급) 시스템을 적용하여 전류를 줄이고, 모터 코어 손실을 최소화하는 방식이 주로 사용된다.
   • 인버터의 고속 스위칭(Fast Switching)을 위해 SiC(Silicon Carbide) 및 GaN(Gallium Nitride) 반도체 기술이 적용되며, 이는 전력 변환 효율을 높이고 모터의 응답 속도를 개선하는 효과를 제공한다.
2. 벡터 제어(FOC)와 모델 예측 제어(MPC) 기술의 결합
   • 벡터 제어(FOC, Field Oriented Control)는 항공기 모터의 토크와 속도를 정밀하게 조절할 수 있어 전력 효율을 극대화하는 데 필수적이다.
   • 최근에는 AI 기반 모델 예측 제어(MPC, Model Predictive Control) 기법을 도입하여 항공기 운항 중 부하 변동에 실시간으로 대응하고, 에너지 소비를 최소화하는 방식이 연구되고 있다.
3. 다중 모터 시스템 및 분산 제어 기법
   • 일부 전동 항공기는 복수의 전기 추진 모터를 사용하여 동력을 분산하는 방식(Distributed Electric Propulsion, DEP)을 채택하고 있다.
   • 다중 모터 시스템에서는 개별 모터의 부하를 실시간으로 조절하는 것이 중요하며, 이를 위해 CAN(FD), EtherCAT 등의 실시간 네트워크 기반 모터 제어 기술이 적용되고 있다.

이러한 제어 기술들은 전동 항공기의 운항 안정성을 높이고, 배터리 에너지를 더욱 효율적으로 활용하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다.

 

 

3. 전동 항공기용 하드웨어 설계 트렌드

전동 항공기용 모터 시스템은 일반적인 산업용 모터와는 다른 요구 조건을 충족해야 한다.

특히, 고효율, 경량화, 내구성 및 열관리가 핵심적인 설계 요소로 작용한다.

1. 고효율 모터 설계
   • 전동 항공기용 모터는 일반적으로 PMSM(영구자석 동기 모터) 또는 HSPM(High-Speed Permanent Magnet) 모터가 사용된다.
   • 높은 속도와 출력을 요구하기 때문에 고자속 밀도 네오디뮴 자석(NdFeB)을 활용한 고강도 자석 설계가 적용된다.
   • 또한, 철손과 동손을 최소화하기 위해 코어 재료의 최적화 및 권선 설계 기술이 필수적이다.
2. 경량화 및 고강도 소재 적용
   • 전동 항공기는 중량이 중요한 변수이므로, 모터 하우징 및 냉각 시스템에 티타늄 합금, 탄소 섬유 복합 소재 등을 적용하여 무게를 줄인다.
   • 또한, 고강도 경량 권선(예: Litz Wire) 및 특수 냉각 시스템을 활용하여 출력 밀도를 극대화하고 있다.
3. 효율적인 냉각 시스템
   • 전동 항공기의 고출력 모터는 강력한 냉각 시스템이 필수적이다.
   • 기존 공냉식 방식보다는 액체 냉각 방식(Direct Liquid Cooling)이 주로 적용되며, 열전도율이 높은 냉각재(예: 냉각 오일 또는 다이렉트 워터 쿨링)를 사용하여 발열을 효과적으로 제어하고 있다.
4. 고신뢰성 전력 변환 시스템
   • 항공기용 전력 변환 시스템은 EMI(전자기 간섭) 최소화 및 내진동 설계가 중요하다.
   • 이를 위해 EMI 필터링 기술 및 GaN 기반의 고주파 스위칭 인버터가 활용되며, 고신뢰성의 절연 시스템이 적용된다.

이처럼 전동 항공기의 모터 시스템 하드웨어 설계는 고출력 밀도, 경량화, 냉각 성능 최적화, 신뢰성 확보를 중심으로 지속적으로 발전하고 있다.

 

 

4. 전동 항공기 모터 시스템의 미래 전망

전동 항공기 시장은 급속히 성장하고 있으며, 향후 10년 내에 상용화가 본격화될 것으로 예상된다. 이를 위해 모터 제어 및 하드웨어 기술이 더욱 발전할 필요가 있다.

1. AI 기반의 예측 유지보수(Predictive Maintenance) 도입
   • 모터 상태를 실시간으로 모니터링하고 AI가 고장을 예측하여 운항 중 장애를 미리 방지하는 시스템이 개발되고 있다.
2. 슈퍼컨덕터 모터 기술의 연구
   • 초전도체(Superconductor)를 활용하여 전력 손실이 거의 없는 초고효율 모터 기술이 연구되고 있으며, 향후 항공기에 적용될 가능성이 있다.
3. 배터리 및 수소연료전지와의 통합 최적화
   • 전동 항공기의 핵심 에너지원인 배터리 및 연료전지 시스템과의 통합 최적화 기술이 중요해질 전망이다.

전동 항공기의 상용화를 위해서는 고효율 모터 제어 및 하드웨어 설계의 지속적인 발전이 필수적이며, 이를 위한 연구와 기술 혁신이 활발하게 진행되고 있다.