이전 포스팅에서 F1 차량의 브레이킹 시스템(Braking System)에 대해 다뤄본 적이 있다.
[Formula 1] #04 - F1 브레이킹 시스템(Braking System)에 대해
F1 차량의 브레이킹의 성능은 '100km/h에서 풀-브레이킹(Full-Braking)을 하면 15m만에 정지한다'라는 한 문장으로 정리될 듯하다. 평균 로드카의 무려 4분의 1의 거리 만에 정지하는 것이다. 게다가 300
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위 포스팅에서 다뤘듯이 'F1 차량의 앞 바퀴와 뒷 바퀴에 걸리는 제동 방식이 다소 다르다'고 언급했다. 뒷 바퀴의 경우 흔히 우리가 알고 있는 브레이크 패드로 바퀴의 회전을 멈추는 방식이 아니라 다른 방식으로 동작한다. 이는 MGU-K의 존재로 인한 것인데, MGU-K의 개입으로 뒷바퀴에 걸리는 제동력이 원래 걸려야할 제동력보다 더 적게 걸린다고 했다.
이는 MGU-K가 배터리 충전을 위해 뒷바퀴의 회전력을 빼앗아가기 때문이고, 이러한 과정 속에서 MGU-K가 뒷바퀴 제동에 도움을 주게 되는 것이다.
MGU-K??
배터리 충전?
뒷바퀴의 회전력을 빼앗는다고?
이번 포스팅에서는 MGU-K가 무엇이며, 구체적으로 어떻게 동작하는지에 대해 정리해보려 한다.
포스팅을 읽기 전 다음 영상을 보면 좋을 것 같다.
https://www.youtube.com/watch?v=OcYdo3-Tx_o&ab_channel=bRd3D
유튜브 bRd 3D 채널의 '전기자동차 모터는 어떻게 작동할까?'에 대한 영상이다. 모터에 대한 원리가 잘 설명되어있으니 보면 도움이 될 듯하다.
[목차]
- MGU-K란?
- 감속 시 에너지의 낭비를 막아라!
- 전자기학(Electromagnetics)
모터(Motor)? 발전기(Generator)?
전류와 자기장 전류와 자기장의 상호작용
[참고] F1 차량은 어떤 방식을?
- MGU-K가 감속시키는 시스템
MGU-K란?
MGU-K란 'Motor Generator Unit - Kinetic'의 약자로 F1 차량의 파워 유닛(Power Unit)을 구성하는 요소 중 하나이다.
F1의 파워 유닛은 MGU-K, MGU-H, Energy Store(ES), Internal Combustion Engine(ICE), Turbo Charger(TC)와 같은 여러 유닛으로 구성되어 있고, 이들은 각각은 각자의 역할을 하며 F1 차량을 구동시킨다.
MGU-K라는 유닛의 이름에서 '모터(Motor)' 그리고 '발전기(Generator)' 각각 단어만 놓고 보면 뭔지 알겠는데, 도통 MGU-K가 어떤 역할을 하는지 도무지 감이 잡히지 않는다.
MGU-K는 어떤 역할을 하는 것일까?
핵심 컨셉 설명에 앞서 MGU-K에 대한 오해 하나에 대해 짚고 넘어가자. 몇몇 오해 중 ‘MGU-K는 브레이크로부터 열에너지를 취함으로써 메커니즘이 동작한다.’는 오해가 있다. 이는 사실이 아니다. 일단 이 부분을 머리에 넣고 시작하자.
감속 시 에너지의 낭비를 막아라!
차량의 속도를 줄이기 위해선 운동 에너지를 ‘다른 어떠한 에너지’로 전환시켜야 한다. 기본적인 F1의 브레이킹 시스템은 이러한 차량의 운동에너지를 열에너지로 변환시킨다. 브레이크 페달을 밟으면 차량의 속도가 점점 줄어드는 대신 브레이크 디스크가 무척이나 뜨거워지는 것이 운동에너지가 열에너지로 변환된다는 증거다.
그런데 이렇게 발생한 열에너지는 그저 버려지는 소멸되는 에너지이다. 왜냐하면 F1 차량이 바람을 맞으면서 브레이크 덕트로 공기가 들어와, 이 공기에 의해 브레이크 패드가 다시 차가워져 버리고 끝나기 때문이다. 가만 생각해보면 그냥 에너지를 공기 중으로 버린다니 참 낭비다. 다른 에너지로 바꿔줄 수 있지 않을까?
'열에너지 대신 다른 에너지로 바꿔주고 싶다'라는 아이디어에서 시작해 MGU-K가 등장한다. MGU-K는 앞서 언급한 오해와 같이 브레이크에 의해 버려지는 열에너지를 사용하는 것이 아니라, '애초에 운동에너지를 다른 에너지로 변환하는 유닛'이다.
좀 더 구체적으로 말하면 브레이크를 덜 쓰는 것이다. 브레이크를 덜 쓸 수 있다면 그만큼 열에너지가 덜 발생하고, 그만큼 버려지는 에너지를 줄일 수 있다. 하지만 브레이크를 덜 쓰면 그만큼 차량은 덜 감속될텐데... 다시 말해 브레이크를 덜 쓰는 만큼의 운동에너지를 '다른 어떠한 에너지'로 변환시키지 못하면 차의 속도가 원하는만큼 줄어들지 못한다는 뜻이다. 이러면 의미가 없다. (에너지 보존의 법-칙!)
결론부터 말하면 MGU-K는 운동에너지를 '전기에너지'로 바꿔준다. '다른 어떠한 에너지'가 바로 '전기에너지'라는 말이다.
대체 어떻게 전기에너지를 만든다는 것일까?
전자기학(Electromagnetics)
MGU-K가 운동에너지를 전기에너지로 바꾼다는 것을 이해하려면 우리는 잠시 과학 시간을 가져야한다. (...ㅠㅠ) 어릴적 중고등학교 다닐 때 우리는 전자기학에 대해 배웠지만 분명 까먹었을 확률이 높다. 그리 어렵지 않으니 한번 같이 차근차근 살펴보자.
모터(Motor)? 발전기(Generator)?
앞서 설명한 것과 같이 MGU-K는 'Motor Generatoer Unit - Kinetic'이다.
모터(Motor)라는 것은 전기에너지를 운동에너지로 전환시켜주는 모듈이다.
우리가 흔히 아는 미니카의 경우 모터를 사용한다. 미니카는 건전지로부터 얻은 전기에너지를 이용하여 모터(motor)를 구동시켜 미니카의 뒷바퀴에 동력을 전달해 미니카를 움직이게 만든다.
반대로 Generator(발전기)는 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 이는 실제 풍력발전기든 수력발전기든 이들과 그 원리가 동일하다.
이러한 모터(motor)와 발전기(generator)는 모두 ‘전자기학(Electromagnetics) 메커니즘’을 이용하는 방식으로 동작한다.
전류와 자기장
전자기학은 전하(Electric charge)와 자기장(Magnetic field)의 깊은 상호관계를 다루는 학문이다.
먼저 자기장부터 살펴보자. 모두가 알고 있듯이 자석은 N극과 S극을 가진다. 이때 N극에서 S극 방향으로 흐르는 자기장이 형성된다. 다른 건 몰라도 되고 그냥 'N극에서 S극으로 흐르는 방향으로 자기장이 형성된다'정도만 알아두자.
다음으로 전류를 살펴보자. 보통 '전기'로 알고 있는, 정확히 말하면 '전류'는 그냥 간단히 말하면 전선에 흐르는 전자(electron)이다. 전지에 전선을 이어놓은 회로를 생각하면, 그냥 전자(elctron)가 건전지의 +극에서 -극으로 흐르는 모습을 생각하면, 그냥 이게 전류다.
정리하면,
- 자기장은 N극에서 S극 방향으로 형성된다.
- 전류는 +에서 -로 이동한다.
전류와 자기장의 상호작용 - 전선을 움직여라!
여기서 재밌는 부분은, 자기장과 전류가 앞서 말한것처럼 서로 상호작용을 한다는 점이다. 자기장에 전류가 흐르는 전선을 놓으면 전선이 힘을 받아 움직인다. (헉-!) 정확히는 전류가 흐르는 방향과 자기장이 흐르는 방향에 모두 수직이 되는 방향으로 움직인다.
위 사진에서 보는 것과 같이 전류의 흐름과 자기장의 흐름이 각각 그림에서 보는과 같은 방향일 때 전선은 움직인다. 그렇다면 위로 움직일까 아니면 아래로 움직일까? 이때 우리가 가물가물해하는 '플레밍의 왼손 법칙'이 등장한다. 플레밍의 왼손 법칙을 적용하면 전선이 어디로 움직일지 알 수 있다.
플레밍의 왼손법칙에 의해 전선은 위로 움직인다. 이게 바로 전류와 자기장이 어떻게 상호작용하는지에 대한 전자기학의 핵심이자 기초이다. 전기를 가했더니 전선이 움직인다? 다시 말해, 전기에너지가 운동에너지로 바뀌었다는 것이다! 우리는 전선을 자기장에 그냥 '놓기만' 함으로써 전선이 움직인다는 것을 알았다.
이제 우리는 기초를 이해했다. 하지만 우리가 진짜로 원하는 건 바퀴가 가지고 있는 에너지 형태, 즉 회전하는 에너지를 이용하는 것이다.
이번에는 이렇게 해보자. 단순히 직선의 전선을 놓는 것이 아닌, 구부린 전선을 놓아보자. 이렇게 구부리면 N극 쪽에 있는 전류의 방향은 아래방향이 되고, S극에 있는 전류의 방향은 위쪽이 된다. 이렇게 되면 N극 쪽은 플레밍의 왼손 법칙에 의해 수직위로 움직이고, S극에 있는 전선은 수직아래 방향으로 움직인다. 이러면 전선은 '회전'한다.
모든 것이 해결된 줄 알았지만 아직 문제가 있다. 90도 이상 움직이면 N극에 있는 전선은 수직아래 방향으로 움직이고, S극에 있는 전선은 수직위 방향으로 움직여 더이상 회전하지 못한다. 이를 해결하기 위한 방법은 여럿이 있지만 F1의 MGU-K에서 사용되는 방법을 생각해보자. F1의 MGU-K는 교류(AC, Alternating Current)를 사용한다. 교류 전류는 간헐적으로 일정한 간격으로 전류의 방향을 변화시킨다. 90도 회전했을 때 전류의 방향을 반대로 바꾸면 회전하던 방향으로 그대로 계속 회전하게 된다.
이것이 바로 모터(motor)의 원리다!
이렇게 전기에너지를 운동에너지로 바꿔주는 모터에 직접적으로 바퀴를 달거나, 팬을 달거나 함으로써 전기차라든지 선풍기라든지 하는 여러 장치들을 개발해왔다.
[참고] F1 차량은 어떤 방식을?
다음 파트로 넘어가기 전에 참고해야할 사항이 있다. 앞서 이해를 쉽게 하기 위해, 실제 F1 차량에 적용되는 방식과는 다르게 설명했다.
첫 번째 다른 점은 실제 F1 차량의 MGU-K에는 더 많은 전선을 놓는다. 그리고 그 전선에 더 강한 전류를 흘리기도하고 또는 더 강한 자력을 가진 자석을 배치해 강한 자기장을 사용하기도 한다. 이를 통해 전기에너지를 운동에너지로 바꾸는 효과를 극대화시킨다.
두 번째로 모터를 더 부드럽게 회전시키기 위해 전선을 120도 간격으로 3개를 놓을 수 있다. 이것이 그 유명한 삼상(Tri-phase) 모터 발전기이다.
세 번째로 우리는 전선이 움직이는 것으로 설명했는데, 자석이 움직이게끔 설계할 수도 있다. 자석이 움직이건 전선이 움직이건 우리는 전기에너지를 운동에너지로 바꾼 것에 초점을 맞추는 것이기 때문에, 뭐가 움직이든 상관은 없다. 똑같은 구조에서 바깥쪽에서 자석이 돌 수도 있고, 설계를 좀 더 다르게 해서 안쪽에 자석을 놓고 바깥쪽에 전선을 놓아도 이는 같은 원리를 사용하는 것이다. 각각의 방식에 따른 이점이 다르기는 하지만 원리는 동일하다.
전선이 회전하든 자석이 회전하든 어떤 구조에서든 정지되어 있는 녀석을 'Stator'라고 부르고, 회전하는 녀석을 'Rotor'라고 한다.
실제 F1은 안쪽에 자석을 두고 'Rotor'로 사용하고, 바깥쪽에 전선을 두고 'Stator'로 사용하는 방식을 사용한다. 하지만 앞서 설명한대로 뭐가 됐든 개념은 똑같기 때문에, 다소 이해하기 쉬운 전선이 움직이는 방식으로 이해해보자.
MGU-K가 감속시키는 시스템 (핵심)
이제 전체적인 시스템을 살펴보자.
모터는 위와 같이 '배터리 - 모터 - 뒷 바퀴'와 같은 형태로 시스템을 구성한다. 배터리에 저장된 전기에너지는 모터를 통해 운동에너지로 바뀌고, 바뀐 운동에너지는 크랭크샤프트(Crankshaft)나 트랜스미션(Transmission)과 같은 곳에 동력으로 전달되어 최종적으로 뒷바퀴에 전달된다.
만약 이 모터(Motor)를 발전기(Generator)로 사용한다면 이 에너지 흐름을 반대로 생각하면 된다.
드라이버가 엑셀러레이터(accellerator)를 뗀다. 뒷바퀴는 엄청난 회전에너지로 MGU-K의 Rotor 부분을 돌리게 된다. 앞서 우리는 자기장에 전류가 흐르는 전선을 놓으면 전선이 움직이는 것을 봤는데, 반대로 자기장에 전선을 놓고 전선을 움직이면 그 전선에 전류가 흐르게 된다. 이때는 플레밍의 왼손 법칙이 아닌 오른손 법칙을 이용하여 전선에 흐르는 전류의 방향을 알 수 있다.
- 플레밍의 왼손 법칙 : 자기장에 전류가 흐를 때 전선이 움직이는 방향을 알아냄
- 플레밍의 오른손 법칙 : 자기장에 전선을 움직일 때 전류가 흐르는 방향을 알아냄
여기서 중요한 것은 플레밍의 왼손 법칙 대신 오른손 법칙을 이용했고, 이로 인해 모터의 경우와 정 반대 방향으로 전류가 흐른다는 점이다. 이게 왜 중요할까? 전선을 회전시킴으로써 전류를 유도하자마자, 자연스럽게 다른 방향으로 회전하는 경향이 생기기 때문이다.
정리하면 플레밍의 오른손 법칙에 따라 회전하는 전선 내에 전류가 생성되면, 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전선이 회전하는 반대 방향으로 움직이려는 힘이 생기기 때문에, 뒷바퀴의 회전속도가 점차 줄어들게 된다. 다시 말해, 뒷바퀴의 운동에너지가 전기에너지로 전환되고, 전환된 전기에너지에 의해 운동에너지가 생성되는 것이다.
이러한 원리로 엑셀러레이터를 뗴는 것만으로도 MGU-K가 마치 브레이크처럼 차량을 감속시킬 수 있다. 실제 MGU-K의 방식만으로는 엄청난 속도의 F1 차량을 빠른 시간 내에 멈추는 데에는 한계가 있기 때문에 현재 브레이크와 MGU-K를 제동에 함께 사용하고 있다.
참고로 이러한 과정을 통해 차량을 정지시키는 것을 회생제동(regenerative braking)이라고 한다.
마치며
이번 포스팅에서는 MGU-K에 대해 살펴봤다. 정리하면서 참 공학도들은 새삼 대단함을 느꼈다. 앞으로 엔진을 구성하는 다른 요소들(ES, TC, ICE 등)에 대해 정리해볼 예정이다.
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