미국에 거주하는 17세 소년이 새로운 구조를 지닌 모털ㄹ 개발해 미국에서 열린 고교생 과학 연구 콘테스트인 ISEF(Regeneron International Science and Engineering Fair)에서 최우수상과 7만 5,000달러 상금을 획득했다. 이 모터가 전기자동차 미래를 바꿀 가능성을 숨기고 있다는 보도가 나오고 있다.
미국 플로리다에 거주하는 17세 로버트 샌슨은 애니매트로닉스(Animatronics)를 응용한 손이나 100km/h 이상 고카트 등 다양한 엔지니어링 프로젝트에 노력하는 발명가다. 이 소년은 전기차 장단점을 해설한 영상을 보고 전기차 모터에는 지속 가능성 측면에서 문제가 있다는 걸 알게 됐다.
대부분 전기자동차 모터는 희토류 원소 일종인 네오디뮴이나 디스프로슘으로 만든 영구자석이 필요하다. 하지만 희토류 채굴에는 재정적으로나 환경적으로도 비용이 들기 때문에 전기차 보급에 따라 희토류 공급 부족이 우려되고 있다.
전기차 모터 지속가능성에 관심을 갖고 있는 이 소년은 희토류가 필요한 영구자석을 사용하지 않는 동기 릴럭턴스 모터(reluctance motor)에 주목했다. 이 모터는 펌프나 팬 등에 이용되고 있지만 회전력과 효율성 측면에서 전기차를 움직일 수 있을 만큼 강력하지 않다.
따라서 이 소년은 동기 릴럭턴스 모터 성능을 향상시키는 방법을 검토하기 시작했으며 1년에 걸쳐 다양한 프로토타입을 제작했다. 재료에 플라스틱, 구리선, 스틸 로터 등을 사용한 프로토타입은 3D 프린터를 이용해 제조해 각종 미터를 이용해 힘을 측정했다. 샌슨은 전기 모터에 원래 관심을 갖고 있었다며 지속가능성 문제를 해결하고 다른 모터를 설계하고 시험해보고 싶어졌다고 밝혔다.
동기 릴럭턴스 모터는 고정자에 통전해 자계를 발생시키고 에어갭이 있는 스틸 로터를 회전시켜 동작한다. 소년은 모터에 다른 자기장을 통합해 토크를 늘리는 방법을 고안했다는 것으로 미래에는 기술 특허 취득을 목표로 하고 있기 때문에 자세한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
이 소년은 새로운 동기 릴럭턴스 모터 개발로 ISEF에서 최우수상을 수상했다. MIT공대 진학을 희망하는 샌슨은 상금 7만 5,000달러를 학비에 충당할 생각이다. 그는 첨단 모터를 생산할 자원이 없었기 때문에 3D 프린터를 이용해 소규모 프로토타입을 제작했다. 자신에게 도움을 줄 멘토가 없었기 때문에 모터가 실패할 때마다 많은 연구를 수행했으며 무엇이 잘못됐는지 문제를 해결해야 했다며 주요 프로토타입으로 간신히 실용적 모터를 제조할 수 있었다고 밝혔다.
새로운 동기 릴럭턴스 모터는 300rpm 조건에서 토크가 39%, 실효성이 31% 높아졌고 750rpm 조건에선 효율이 37% 높아졌다. 회전수를 더 높이면 플라스틱 재질 프로토타입은 녹아 버렸지만 설계 변경으로 토크와 효율성이 개선되고 있다는 걸 확인할 수 있었다고 한다.
한 교수는 소년이 올바른 방향을 보고 있다며 이 모터가 차기 큰 혁신이 될 가능성이 있다고 밝혔다. 현재 샌슨은 16대째 프로토타입 제조를 위한 계산과 3D 모델링에 임하고 있으며 다음 버전은 더 튼튼한 재료로 제조하는 걸 목표로 하고 있다. 기존 전기 모터에 포함된 희토류 재료는 전기차 지속가능성을 저해하는 주요 요인이 됐다고 말한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.