표면 영구자석 모터와 내부 영구자석 모터 중 어떤 것을 선택해야 할까요?

2026년 6월 30일

전기 자동차는 로터 내부에 자석이 배치되어 있어 저속에서도 높은 토크를 유지할 수 있습니다. 현대식 전기 자동차와 고성능 산업용 구동 시스템의 핵심 기술은 내부 영구자석 모터(IPM)입니다.

신에너지 차량 시대에 IPM 기술은 모터 설계 엔지니어와 전기차 구동 시스템 구매 담당자들로부터 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 다음에서는 IPM의 작동 원리와 표면 장착형 영구자석 모터(SPM)와의 주요 차이점에 대해 설명하겠습니다.

IPM과 SPM 중 어느 것을 선택할지는 전기차 설계에서 가장 중요한 결정 사항 중 하나인데, 자석 위치의 차이에 따라 모터의 토크 출력, 효율 곡선, 그리고 고속 주행 시의 신뢰성이 결정되기 때문이다.

영구자석 모터의 기초: 희토류 자석의 역할

영구자석 모터(PM)는 교류 모터의 한 종류로, 로터 표면에 내장되거나 장착된 자석을 통해 자기장을 생성합니다. 전기 자동차의 경우, 영구자석 동기 모터(PMSM)는 높은 토크 밀도와 효율성 덕분에 널리 사용되며, 가장 일반적인 구동 모터 유형 중 하나입니다.

모터에는 일반적으로 업계에서 ‘초강력 자석’이라고 불리는 네오디뮴 자석(Nd-Fe-B)이 장착되어 있습니다. 네오디뮴 자석은 단위 면적당 자기장 강도가 높아 자기장이 집중되기 때문에, 크기가 작더라도 상당한 자기 출력을 제공할 수 있습니다.

고효율과 높은 자속 밀도 덕분에 영구 자석을 사용하면 동일한 성능 수준을 유지하면서도 모터의 크기를 기존 모델의 3분의 1 수준으로 줄일 수 있습니다. 이를 통해 전기차를 경량화할 수 있으며, 높은 효율로 차량의 전체 에너지 소비량을 절감할 수 있습니다. 또한, 희토류 자석의 자성 수명은 약 400년에 달하므로, 모터가 전체 수명 기간 동안 안정적인 성능을 발휘할 수 있습니다.

네오디뮴 자석 외에도 사마륨 코발트(SmCo) 자석은 일부 고온 용도에도 사용됩니다. 자력은 네오디뮴 자석보다 약간 약하지만, 내열성이 뛰어나 작동 온도가 150°C를 자주 초과하는 용도에 적합합니다. 전기차 구동 모터의 작동 환경에서 온도가 변동하므로, 자석을 선정할 때는 자력과 열적 성능을 모두 고려해야 합니다.

IPM 및 SPM: 자석의 위치에 따라 결정됨

영구자석 모터에는 IPM과 SPM, 두 가지 유형이 있습니다. 두 유형 모두 영구자석을 통해 자속을 발생시키지만, 자석의 위치가 다릅니다. IPM은 자석을 로터 내부에 내장하는 반면, SPM은 자석을 로터 표면에 직접 장착합니다. 이러한 구조적 차이로 인해 두 모터 유형의 성능 특성, 제어 전략 및 적용 분야가 달라지며, 이는 전기 모터 설계에서 가장 대표적인 분류 기준 중 하나입니다.

제조 측면에서 볼 때 SPM의 로터 구조는 비교적 단순합니다. 자석은 로터 외면에 직접 내장되며, 일부 설계에서는 고속 회전 시 원심력으로 인한 자석 이탈을 방지하기 위해 탄소 섬유 또는 스테인리스강 슬리브를 보호용으로 사용합니다. IPM의 로터 제조 공정은 더 복잡합니다. 내장된 자석의 배치와 각도 정밀도가 모터 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 코어 내부에 자석 슬롯을 가공해야 하며, 이것이 높은 제조 비용의 원인 중 하나입니다.

두 자석 설계의 형태도 서로 다릅니다. SPM은 주로 링형 또는 아크형 자석을 사용하는 반면, IPM에서는 가공 슬롯이 있는 직사각형 또는 직육면체 자석이 사용됩니다. 또한, IPM은 SPM에 사용되는 자석 재료의 66.7%만으로도 충분하다는 연구 결과가 있어, 희토류 가격 상승 추세 속에서 비용 면에서 이점을 제공합니다.

하이브리드 및 전기차가 가져온 변화

고속 성능은 IPM의 가장 큰 장점이며, 이는 차량 응용 분야에서 중요한 요소입니다. 반면, SPM의 출력-속도 곡선은 쌍곡선 형태를 띠고 있는데, 이는 좁은 속도 범위 내에서 출력이 점차 증가하여 일정한 출력 평형점에 도달한 후 다시 감소함을 의미합니다. SPM은 과거 영구자석 모터 시장에서 주류를 이루었으나, 최근 상황이 바뀌었습니다. 하이브리드 및 전기 자동차의 증가로 인해 IPM에 대한 수요가 증가하고 있습니다. IPM 모터는 넓은 속도 범위에서 일정한 출력을 유지할 수 있으므로, 구동 모터나 보조 모터와 같은 용도에 적합합니다.

IPM 모터의 장점은 차량 적용 분야에서 더욱 두드러지는데, 이는 자기 회로의 자화 상태를 더 정밀하게 제어할 수 있어 더 넓은 범위에서 일관된 토크 출력을 제공하기 때문입니다. 따라서 전류를 조절함으로써 전기 모터의 작동 성능을 제어할 수 있으며, 이는 현대 전기 자동차 구동 시스템에서 필수적인 기술입니다.

전 세계 전기차 보급률이 증가함에 따라 향후 10년 동안 IPM에 대한 시장 수요는 증가할 것으로 예상됩니다. 주요 자동차 브랜드의 차세대 전기차 플랫폼은 거의 모두 IPM을 주 구동 모터로 채택하고 있으며, 이러한 추세는 트랙션 모터 부문에서 IPM의 지배적 위치를 더욱 공고히 할 것으로 보입니다.

SPM의 구조적 특성

자석은 기계적 강도가 상대적으로 낮은 로터 표면에 장착되어 있습니다. 이러한 구조로 인해 모터의 최대 안전 작동 기계적 속도가 제한됩니다. 또한, 로터 끝단에서 측정된 인덕턴스 값은 로터의 위치와 관계없이 일정하므로, SPM의 토크 발생은 주로 자기 토크라는 단일 메커니즘에 의존하게 됩니다.

이러한 성능상의 한계에도 불구하고, SPM은 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하기 때문에 가전제품이나 저속 워터 펌프 등 높은 기계적 강도가 요구되지 않는 분야에서 널리 사용되어 왔다.

IPM의 구조적 장점

로터 내부에 자석을 내장한 IPM의 구조는 기계적 성능이 우수하므로 고속 응용 분야에 적합합니다. 또한, 이 구조는 Lq/Ld 인덕턴스 비율이 상대적으로 높은데, 이는 서로 다른 로터 축을 따라 나타나는 자기 릴럭턴스 차이를 측정하는 핵심 지표입니다.

IPM은 그 구조 덕분에 자기 토크와 릴럭턴스 토크 메커니즘을 모두 통해 토크를 발생시킬 수 있어, 전기 자동차의 다양한 요구 사항에 대응할 수 있습니다. 이를 통해 도심 저속 주행부터 고속도로 고속 주행에 이르기까지 이상적인 토크 출력을 유지할 수 있습니다.

IPM의 이중 토크 이점을 최대한 활용하기 위해 일반적으로 암페어당 최대 토크(MTPA) 제어 전략이 채택됩니다. 최적의 효율을 얻기 위해서는 전류 벡터를 동적으로 조정하여 자기 토크와 릴럭턴스 토크 소스를 균형 있게 유지해야 합니다. 따라서 더 정밀한 센서와 연산 능력이 필요한 IPM의 제어 알고리즘은 SPM의 제어 알고리즘보다 더 복잡합니다.

IPM 및 SPM의 향후 방향

IPM은 더 적은 자석 재료를 사용하면서도 비슷한 수준의 토크 출력을 제공할 수 있기 때문에, 견인 모터와 같은 고속 응용 분야에서 선호되는 옵션입니다. IPM에서는 자기 토크 외에도 릴럭턴스 토크를 활용하여 높은 토크 출력을 생성합니다. 또한 벡터 제어 기술이 IPM에 적용되어 고속 모터 작동 중 발생하는 다양한 부하 변화에 대응합니다.

효율 곡선을 비교해 보면, SPM은 간단한 자기 회로 설계 덕분에 저속 및 안정된 속도에서 높은 효율을 달성할 수 있는 반면, IPM은 더 넓은 속도 범위에서 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 따라서 IPM은 고속에서 더 높은 효율을 보입니다. IPM은 자기 회로의 자화 상태를 조정함으로써 넓은 속도 범위에서 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 자석은 로터 내부에 캡슐화되어 있어 원심력에 의해 분리되지 않습니다. 따라서 로터 구조 전체의 내구성이 높아져 기계적 신뢰성이 향상됩니다. IPM은 동일한 출력을 낼 때 기존 설계에 비해 에너지 소비를 약 30% 절감할 수 있으며, 이는 주행 거리와 에너지 효율에 중점을 두고 있는 전기차(EV) 산업에 매력적인 장점입니다.

고속 주행 시 IPM의 자기장 약화 기술을 활용하면 기본 속도를 초과한 후 로터의 유효 자기장을 약화시킬 수 있으며, 이를 통해 모터는 넓은 속도 범위에서 일정한 출력을 유지할 수 있습니다. 그 결과, 저속 등반 시나 고속 주행 시를 막론하고 전기 자동차의 높은 효율을 유지할 수 있으며, 이것이 바로 IPM이 신에너지 차량 분야에서 널리 사용되는 이유입니다.

어떻게 고르면 좋을까요?

넓은 속도 범위가 필요하지 않거나 예산이 가장 중요한 고려 사항인 응용 분야의 경우, 구조가 간단하고 비용이 저렴하다는 점에서 SPM을 선택해야 합니다.

광범위한 속도 범위에서 높은 효율이 요구되는 경우, 특히 전기차(EV) 구동 모터나 신에너지 응용 분야와 같이 고속 운전 및 높은 토크가 필요한 응용 분야에서는, IPM이 뛰어난 고속 성능, 더 높은 토크 밀도, 그리고 우수한 기계적 신뢰성을 갖추고 있으므로 이를 고려해야 합니다.

IPM은 코어 캡슐화 구조 덕분에 일정 수준의 방열 기능을 제공하여, 자석의 온도를 낮게 유지하고 고온으로 인한 자성 성능 저하를 방지합니다. 반면, SPM은 자석이 직접 노출되어 있어 방열 성능이 떨어집니다. 이것이 바로 고출력 밀도 응용 분야에서 IPM이 선호되는 이유이기도 합니다.

결론적으로, 가전제품이나 저속 워터 펌프와 같이 속도 범위 및 토크 일관성에 대한 요구 사항이 낮은 응용 분야의 경우, 비용 면에서 유리하기 때문에 SPM이 선호됩니다. 반면, 넓은 속도 범위에서 작동하는 구동 모터나 산업용 구동 시스템의 경우, IPM을 사용할 때 초기 비용은 높지만, 장기적인 효율 향상과 자성 재료 사용량 감소를 통해 이를 상쇄할 수 있습니다.

결정을 내리기 전에, 목표 속도나 예산 한도 등 운영상의 요구 사항에 대해 자성 재료 공급업체와 상의하는 것이 좋습니다. 이를 통해 향후 사양 불일치로 인한 재설계 없이 가장 적합한 옵션을 선택할 수 있습니다.

공유하다: