제1편 – 영구자석 동기전동기 (Synchronous Motor) – Basic Theory

영구자석을 사용한 동기전동기는 고성능의 희토류 자석을 사용하여 size 대비 높은 출력을 기대할 수 있습니다. 그래서 큰 토크를 필요로 하는 분야, 특히 운송분야(자동차, 전철 등)의 traction motor 용도로 많이 사용됩니다. 또한 효율이 높아 에너지 절감차원에서도 매우 각광받고 있습니다.

동기전동기의 구동 원리에 대한 내용은 아래 링크의 영상을 참고하시면 쉽게 이해하실 수 있습니다.
https://youtu.be/Vk2jDXxZIhs

 

▣ 분류 – SPMSM과 IPMSM

동기전동기는 회전자 종류에 따라 크게 두가지 type으로 분류할 수 있습니다.

  1. 표면부착형 영구자석 동기전동기(Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)
  2. 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)

SPMSM IPMSM
                        SPMSM                                              IPMSM

SPMSM은 회전자 표면에 영구자석을 부착한 구조입니다. IPMSM은 영구자석을 회전자 내부에 삽입한 구조입니다.

IPMSM은 d-q축 인덕턴스 편차에 의해 발생하는 릴럭턴스 토크를 사용할 수 있어 SPMSM 대비 더 큰 토크를 출력할 수 있지만, 대신 릴럭턴스 토크의 토크 맥동으로 인한 진동이 발생합니다. 또 동일한 size에서 SPMSM보다 더 많은 영구자석을 사용할 수 있어 출력이 높습니다.

SPMSM은 IPMSM 대비 진동이 적으며 제작이 용이하지만, 출력은 상대적으로 낮습니다.

 

▣ 역기전력과 입력전류

동기전동기의 회로를 개방(전원X)한 상태에서 회전자를 강제로 회전시키면, 모터의 3상 권선에서 전압이 발생합니다. 이 발생전압을 역기전력(EMF, electric motive force)라고 합니다. 발전기와 전동기는 거의 같은 구조이며, 발전기를 회전시킬 때 발생하는 전압이 바로 이 역기전력입니다.

동기전동기를 해석할 때, 가장 중요한 것은 역기전력과 입력전류의 위상을 맞춰야 한다는 것입니다.

아래의 그림은 동기전동기의 3상 역기전력과, 입력전류를 나타내고 있습니다. 여기서 실선은 역기전력, 점선은 입력 전류입니다.

역기전력과 전류

 

SPMSM은 역기전력과 입력전류의 위상이 동상일때 최대 토크가 발생합니다. 그러나 IPMSM은 최대토크를 내기 위해 입력전류의 위상을 지연시킵니다.

 

▣ d-q 전류 특성

3상 동기전동기에 입력하는 전류는 3상 정현파입니다.

3상 정현파 전류를 직각좌표계상에서 표현하면, 회전하는 전류벡터가 됩니다. 이 전류벡터는 회전자의 회전속도, 즉 입력 전류의 주파수와 같은 주파수로 회전합니다.

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                             전류벡터                                     3상 정현파 전류

 

이 때 좌표계 자체를 회전자와 같은 속도로 회전시키면, 회전하는 좌표계상에서 전류벡터는 고정된것처럼 보입니다. 회전좌표계의 두 축은 각각 d축-q축입니다. 이런 방법으로 3상 정현파 입력전류 Ia, Ib, Ic를 DC전류인 Id, Iq로 변환할 수 있습니다.

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이렇게 모터의 입력전류를 Id, Iq로 표현하는 이유는 몇가지가 있습니다. 첫번째로는 모터 제어가 간편해진다는 장점이 있고, 두번째로는 Id-Iq 좌표상에서 여러가지 모터의 특성을 나타낼 수 있다는 것입니다.

아래의 그림은 Id-Iq 좌표상에서 동일토크곡선, MTPA 운전점, 전류제한선, 전압제한선 등을 표시한 것입니다. 이런식으로 설계하고자 하는 모터의 여러가지 특성을 한눈에 파악하기 쉽습니다.

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지금까지 영구자석 동기전동기의 몇가지 특징을 말씀드렸습니다. 이외에도 여러가지 이론적인 내용들이 있지만, 앞으로 FluxMotor 해석을 함께 하면서 필요한 내용을 전달해드리겠습니다.

그럼 다음 2편부터 본격적으로 FluxMotor를 사용한 IPMSM의 특성 해석을 진행해보겠습니다.

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