전기자동차에서 사용하는 모터는 자속(쉽게는 자기장의 의미) 형성 방향에 따라서 Axial(회전축 방향; 축 방향과 평행), radial(반지름 방향, 외부에서 축으로) 그리고 raxial( radial과 axial의 혼합 형태 그러니까, 회전축과 반지름 방향이 공존) 이렇게 볼수있는데요, 가장 많이 사용되는 radial은 영구자석을 사용합니다.
이들의 정의를 한번 살펴보겠습니다.
Axial, radial 그리고 raxial은 전기 모터에서 자기장의 방향과 흐름에 관련된 용어입니다.
이들은 전기 모터의 설계와 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.
Axial Flux (축방향 자기장 또는 자속선 - 더 정확한 명칭)
축향 자기장은 자기장이 축 방향으로 흐르는 것을 의미합니다.
즉, 자기장의 흐름이 회전축과 평행하게 흐릅니다. 이러한 구조는 전체적으로 낮은 프로파일을 갖고 있어서 공간 효율성을 높일 수 있습니다. 따라서, 축향 자기장 구조는 제한된 공간 내에서 전력을 최대한으로 활용하는데 유용합니다.
Radial Flux (방사형 자속 방식; 반지름 자기장)
반지름 자기장은 자기장이 반지름 방향으로 흐르는 것을 의미합니다.
즉, 자기장의 흐름이 회전축과 수직으로 흐릅니다. 이러한 구조는 자기장을 축 방향으로 공간을 확산시키는 데 유용합니다. 따라서, 반지름 자기장 구조는 큰 출력을 얻는 데 더 적합할 수 있습니다.
Raxial (라디얼-축향)
라디얼-축향은 축향 자기장과 반지름 자기장을 결합한 구조를 의미합니다.
즉, 자기장이 축과 반지름 방향으로 모두 흐릅니다. 이러한 구조는 축향과 반지름 자기장의 장점을 결합하여 전체적인 성능을 최적화할 수 있습니다. 그 결과, 더 높은 출력과 효율성을 달성할 수 있습니다.
Axial, radial flux, 그리고 raxial은 각각의 전기 모터 설계에 따라 선택될 수 있으며, 각각의 장단점이 있습니다.
이러한 구조의 선택은 모터의 용도, 공간 제약, 성능 요구 사항 등을 고려하여 결정되어야 합니다.
전기 자동차의 영구자석 동기 모터(PMSM; Permanent magnet sychronous motor)
소개
PMSM(영구자석 동기 모터)은 높은 효율, 신뢰성 및 전력 밀도로 인해 전기 자동차(EV)에 널리 사용됩니다.
이 모터는 영구 자석에 의해 생성된 자기장과 동기 속도로 작동하도록 설계되었습니다.
유도 모터와 달리 PMSM은 회전자 자기장을 생성하기 위해 외부 전원이 필요하지 않으므로 에너지 손실을 줄이고 효율성을 높입니다.
PMSM의 구조
PMSM은 고정자와 회전자의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
고정자:
고정자는 모터의 고정 부분으로 권선을 수용하고 외부 프레임을 형성합니다. 고정자의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
고정자 코어: 와전류 손실을 줄이기 위해 적층 실리콘 강철로 제작된 코어에는 권선을 고정할 슬롯이 있습니다.
고정자 권선: 일반적으로 고정자 코어의 슬롯에 분산된 3상(배터리를 통해 고정자에 공급되는 전기에너지 전류) 권선(구리선 등의 코일)입니다. 3상 전류가 흐를 때 회전 자기장을 생성하도록 배열되어 있습니다.
절연: 전기 절연은 권선과 고정자 코어 사이의 단락을 방지하는 데 중요합니다.
로터:
회전자는 영구 자석을 포함하는 모터의 회전 부분입니다. 로터의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.
영구 자석: 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 또는 사마륨 코발트(SmCo)와 같은 고에너지 밀도 재료는 강력한 자기장을 제공하는 데 사용됩니다.
로터 코어: 와전류(Eddy current; 맴돌이 전류 - 모터의 운동을 방해하거나 열을 생성하여 효율성 저하) 손실을 최소화하기 위해 일반적으로 대량 생산에 실용적으로 간주되는 0.2mm 적층 강철로 제작됩니다.
샤프트: 로터 코어는 차량의 구동계에 기계적 동력을 전달하는 샤프트에 장착됩니다.
PMSM의 작동 원리
PMSM의 작동 원리는 고정자 권선에 의해 생성된 자기장과 회전자 영구 자석의 자기장 사이의 상호 작용을 기반으로 합니다. 내용은 다음과 같습니다.
자기장 생성:
3상 AC 전원이 고정자 권선에 공급되면 회전 자기장이 생성됩니다. 이 필드는 공급 주파수와 모터의 극수에 따라 결정되는 동기 속도로 회전합니다.
로터 운동:
영구 자석을 포함하는 회전자는 고정자의 회전 자기장과 정렬됩니다. 회전자 자기장은 영구 자석에 의해 생성되므로 고정자 자기장보다 뒤처지지 않고 일정한 속도를 유지합니다.
토크 생성:
PMSM의 토크는 고정자 자기장과 회전자 자기장 사이의 상호 작용에 의해 생성됩니다. 로터에 작용하는 힘은 접선 방향으로 작용하여 로터를 회전시킵니다.
로터는 회전 자기장과 동일한 속도로 계속 회전하여 동기 작동을 보장합니다.
PMSM 제어 전략
최적의 성능을 위해서는 PMSM의 효율적인 제어가 필수적이며, 특히 효율성과 반응성이 중요한 EV 애플리케이션에서는 더욱 그렇습니다. 가장 일반적으로 사용되는 제어 전략은 다음과 같습니다.
자속 기준 제어(FOC; Field Oriented Control)
벡터 제어라고도 알려진 FOC는 고급 폐쇄 루프 방법입니다. FOC는 토크와 자속을 독립적으로 제어하여 결과적으로 속도와 토크를 정밀하게 제어합니다.
직접 토크 제어(DTC)
DTC는 FOC의 대안으로 제안되었으며 현재까지 우수한 토크 제어 방법으로 사용되고 있습니다.
EV에서 PMSM의 장점
PMSM은 다음과 같은 몇 가지 장점으로 인해 EV에서 선호됩니다.
고효율: PMSM은 일반적으로 고성능 효율 모터 드라이브에서 사용하며 이러한 효율성은 EV의 주행 거리 확장으로 이어집니다.
고출력 밀도: 고에너지 영구 자석을 사용하면 PMSM이 높은 전력 밀도를 달성하여 소형화되고 경량화됩니다. 이는 공간과 무게가 제한된 EV에 매우 중요합니다.
우수한 토크 특성: PMSM은 저속에서 높은 토크를 제공하고 전력밀도가 높아 견인모터로서 효율성이 높습니다. 이는 특히 EV의 가속 및 성능에 도움이 됩니다.
도전과 고려사항
장점에도 불구하고 PMSM은 다음과 같은 과제도 안고 있습니다.
영구 자석 비용: NdFeB와 같은 고성능 영구 자석은 가격이 비싸고 공급망이 불안정할 수 있습니다. 비용은 PMSM의 전체 비용에서 중요한 요소가 될 수 있습니다.
열 관리: 높은 전력 밀도로 인해 상당한 열이 발생합니다. 효과적인 열 관리는 모터 성능과 수명을 유지하는 데 중요합니다.
결론
PMSM(영구자석 동기 모터)은 전기 자동차 발전에 필수적이며 높은 효율성, 전력 밀도 및 안정적인 성능을 제공합니다.
몇 가지 과제가 있지만 재료, 제어 전략 및 열 관리의 지속적인 발전으로 인해 성능이 지속적으로 향상되고 전기 자동차 애플리케이션의 까다로운 요구 사항에 더욱 적합해지고 있습니다.
EV 시장이 계속 성장함에 따라 PMSM의 역할은 전기 추진 시스템의 혁신과 효율성을 주도하는 데 중추적인 역할을 계속할 것입니다.