[교류전동기 원리] 모터의 성능은 어디서부터 오는가?
[교류전동기 원리] 3상 회전자계
[교류전동기 원리] IPMSM의 작동원리 안녕하세요. 오늘은 IPMSM이라는 모터의 작동 원리와 설계 중요 인자들에 대해 이야기하겠습니다. 제 본업은 사실 전기차 구동모터를 개발하는 쪽이기도 하고,
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안녕하세요.
오늘은 지난 포스팅에 이어 교류전동기의 원리 3번째 포스팅으로 입력과 출력, 토크와 회전속도에 대해 얘기하려 합니다.
1. 입력 (Input Power)
전동기를 구동하려면 무엇을 해야하나요?
당연히 전원을 넣어줘야합니다. 지난 포스팅에서 3상 교류전원을 넣어줘야 모터가 구동한다고 말씀드렸습니다.
위와 같은 3상입력을 넣어주면, 모터는 회전을 시작합니다.
하지만, 넣어준 에너지만큼 100%의 효율로 모터가 구동하진 않겠죠?
당연히 여러 손실이 발생하게 되고, 남은 만큼 출력이 발생합니다.
2. 손실 (Loss)
모터의 손실에는 크게 3가지, 동손(Copper loss), 철손(Iron loss), 기계손(Mechanical loss)가 있습니다.
다르게 분류하자면 부하손(Load loss)과 무부하손(No-load loss)으로도 분류할 수 있습니다.
손실에 대해서는 다음 포스팅에 정리하도록 하겠습니다.
우선은 모터를 구동하면 손실이 발생하는데 대부분 열로 발생을 하며, 소음과 진동으로 발현되기도 합니다.
열손실은 모터의 온도를 올리게 되며 그에 따라 모터 구동에 있어 여러 제약조건을 만들기도 합니다.
따라서 실무에서는 모터의 구동온도를 낮추기 위해 수냉식, 유냉식 등 다양한 냉각방법을 채택합니다.
3. 출력(Output Power)과 토크(Torque), 각속도(angle speed)
드디어 출력입니다. 출력은 입력(input power)에서 손실(loss)를 빼고 딱 퍼포먼스가 나오는 값을 말하는거에요.
우선 아래 그래프부터 보겠습니다.
모터의 토크, 출력, 전압을 각속도에 따라 표현한 그래프입니다.
여기서 전압은 입력전압입니다. 3상교류전원의 전압 크기라고 생각하시면 됩니다.
1) 일정 토크영역
먼저 일정 토크영역에서의 토크부터 보겠습니다.
우선 토크 그래프부터 보면, 처음 모터의 회전속도가 0일 때부터 이미 토크값은 최대치인 것을 확인할 수 있습니다.
모터는 엔진과는 다르게 처음 구동할 때부터 최대토크를 발휘합니다.
상식적으로 생각했을 땐, 장치가 구동이 되면 천천히 힘을 내기 시작해서 최고 성능을 내는 시점에 도달하게 될 것 같지 않나요? 실제로 엔진도 그렇습니다. 구동 후 어느정도 엔진 속도가 나오면 그 때 최고 토크가 발휘됩니다.
하지만 모터는 구동할 때부터 토크가 발생하며, IPMSM은 구동토크가 최대토크입니다.
유도기는 어느정도 속도가 되면 최대토크가 나타나면서 토크값이 푹 꺼지긴 합니다.
그렇다 하더라도, 중요한건 처음부터 토크가 발생한다는거에요.
어떻게 그럴 수 있을까요??
정답은 회전자기장(Rotating Magnetic Field, RMF)에 있습니다.
맨 처음 포스팅에서, 모터는 가운데에 자석을 놔두고 바깥쪽 회전 자기장과 가운데 자석이 자력으로 결합하여 회전하는게 모터라고 했습니다.
RMF는 전기를 넣어서 만드는거라 시간이 지연되는 특성이 없이 곧바로 동기속도(Synchronous speed)로 회전합니다.
물론 회전자 자체는 관성이 있어서 곧바로 빠르게 회전할 수는 없지만, RMF가 회전을 하고 있기에 토크 자체는 발생하는 거에요. 이것은 유도기도 마찬가지입니다.
영구자석 동기기를 기준으로 최대토크의 크기는 입력해주는 전류밀도와 회전자에 삽입되어 있는 영구자석의 자속밀도, 그리고 회전자의 부피에 따라 결정됩니다.
| T=k(JXB)*Vol 토크=상수*전류밀도*자속밀도*부피 = 상수*자속*전류 |
이건 자기력의 크기에 대해 배우신 분이라면 아실겁니다. 다음에 정자기장에 대해 포스팅할 때 해당 내용도 포스팅하겠습니다.
아무튼, 고정자 권선의 저항도 사실상 정해져있으니 전류밀도도 어느정도 정해지게 되고, 회전자 자석의 세기도 설계 당시에 정하는 것이고, 회전자 부피도 마찬가지죠?
즉, 모터를 설계하는 시점에서 모터 최대토크는 어느정도 정해집니다.
그리고 모터를 구동하면서 곧바로 그 토크가 동작하는거에요.
다음은 출력에 대해 알아보겠습니다.
| 출력(Output Power)=k*토크(Torque)*속도(Speed) |
출력과 토크, 속도는 위와 같은 관계가 있습니다.
모터 자체가 낼 수 있는 최대토크는 이미 전류밀도, 자속밀도, 부피를 통해 고정되어 있고 기동 시 최대토크가 발현됩니다.
그렇다면, 일정 토크영역에서 속도가 서서히 올라 갈수록 출력(Output Power) 또한 올라가게 될 것입니다.
[그림 2]에서 나타나는 Power 값이 일정 토크영역에서 서서히 올라가는 이유가 바로 그것입니다.
2) 일정 출력영역(Weaken Flux Control, 약자속제어)
일정한 속도(w1)이 되면, 더이상 속도가 올라가지 않게 됩니다. 하지만 속도를 더 올리고 싶다면? 약자속제어를 하면 됩니다.
약자속제어라 하면, 전압제한원, d축-q축 전류 등등 여러 복잡한 이야기가 나와서 정확히 이게 뭔지 이해가 안되는 사람이 많을거에요.
우선 정말 간단하게 약자속제어의 정의부터 말씀드리겠습니다.
| 약자속 제어란? : 회전자의 자속을 약하게 만들어서 속도를 올리는 제어 방법. |
네... 말그대로 자속을 약하게 만들어서 속도를 올리는 것이 "약자속 제어"입니다.
그렇다면 자속을 약하게 만드는 것이 왜 속도를 올리는 방법이 될까요?
그 이유는 "유도기전력" 때문입니다.
유도기전력(induced electromotive force, induced EMF)은 모터를 반대로 발전기로 동작하였을 때 생성되는 전압입니다.
산업에서는 무부하시험(no-load test)에서 유도기전력 파형을 체크할 수 있습니다.
이 기전력은 회전속도와 자속에 비례하는데, ipmsm의 경우 자속은 회전자에 설치된 영구자석으로 고정되어 있기에 회전속도로 조절할 수 있습니다.
그런데, 문제는 모터가 입력전원을 받고 운전을 하게되면 회전자의 영구자석이 고정자권선에 유도기전력을 생성해낸다는 것입니다. 이러한 유도기전력은 기존에 입력전원과는 반대방향으로 생성되어서 더이상의 입력을 받을 수 없게 만드는데요, 그래서 이놈을 역기전력(back-emf)라고 부릅니다.
전기기기 과목을 공부하면 아래의 식을 많이 보실겁니다.
v는 입력전압이고, E는 역기전력입니다.
모터의 운전속도가 계속해서 빨라지면서 E가 v와 거의 유사할 정도로 커지면, i는 결국 줄어들 수 밖에 없습니다.
입력해주고있는 v는 한정되어 있기 때문이죠. 여기서 전압제한원이라는 말도 나오게 됩니다.
우선 그런건 차치하고, 역기전력이 계속 커져서 속도를 더이상 올릴 수 없게 되는데, 그럼 이러한 역기전력을 작게 만들어준다면 속도를 더 올릴 수 있겠죠?
다시 역기전력의 식을 가져왔습니다. Wm을 더 키우고싶은데 그럼 E가 자꾸 커지니까 안되는거잖아요. 그래서 자속을 작게 만드는겁니다. 그게 곧 약자속제어에요.
약자속제어는 자속을 작게 만드는 거고, 그건 위 식에서 보이다시피 토크 Te를 작아지게 합니다.
그래서 속도를 키우다보니 토크가 작아지게 되는거에요.
일정출력영역은 아래 식에서 토크가 줄어드는데, 속도는 계속 올라가는 영역이기에 출력이 일정하게 나오는 영역입니다.
| 출력(Output Power)=k*토크(Torque)*속도(Speed) |
(이 내용은 읽지 않으셔도 무방합니다.)
그렇다면, 모터의 최고속도를 올리기 위해서는 모터를 어떻게 설계하면 될까요?
정답은 간단합니다. 극수를 낮추거나 공극자속밀도를 작게하면 됩니다.
1. 극수를 작게 만들기
: 기존에 모터가 8극기였다면 4극기로 만드는겁니다. 그렇게하면 최고속도를 올릴 수 있습니다.
또한 자석의 수를 줄일 수 있으니 제작 비용도 줄일 수 있겠죠?
2. 공극자속밀도를 작게하기
: 이것은 공극 자체를 키우면 됩니다. 모터 사이즈를 키워서 공극을 넓혀버리는거에요.
그렇게하면 자속밀도가 줄어들게 되고, 모터 최고속도를 키운 설계를 할 수 있습니다.
그렇다면 어떻게 자속을 작게 제어할 수 있을까요??
IPMSM에서는 음의 d축전류를 넣어주면 됩니다.
계자권선 전동기는 계자권선에 흘려주는 전류를 작게 넣어주면 됩니다.
음의 d축전류라고 하면 어려워하실 수 있는데 다음에 모터 제어와 관련된 포스팅을 할 때 상세히 알려드리겠습니다.
이번 포스팅을 짧게 요약하고 마무리 짓겠습니다.
| 1. 최대토크는 자속밀도, 전류밀도, 회전자의 부피로 결정된다. |
| 2. 모터가 일정속도에 다다르면 역기전력으로 인해 속도를 올릴 수 없다. 따라서 약자속 제어를 통해 자속을 작게 만들어 속도를 키운다. |
| 3. 자속밀도가 크면 최대토크가 커지고, 자속밀도가 작아야 최대속도가 커진다. |
이번 포스팅은 여기까지 하고, 다음 포스팅은 모터 토크의 종류 3가지 (Alignment Torque, Reluctance Torque, Cogging Torque)에 대해 포스팅하도록 하겠습니다.
감사합니다.