[교류전동기 원리] IPMSM의 작동원리
안녕하세요.
오늘은 IPMSM이라는 모터의 작동 원리와 설계 중요 인자들에 대해 이야기하겠습니다.
제 본업은 사실 전기차 구동모터를 개발하는 쪽이기도 하고, 모터에 대해서 관심이 매우 많습니다.
계속해서 경제쪽 포스팅만 하다가 제 전공도 이야기하고 싶어서 글을 쓰게 되었습니다.
AC모터는 어떻게 회전하는가?
모터는 기본적으로 자석의 결합이라고 생각하시면 됩니다.
자석 하나를 고정시켜놓고, 주변에 자석을 계속 움직이고 있다고 생각해봅시다.
그럼, 고정되어 있는 자석은 주변에 움직이는 자석에 따라서 회전을 하게 되겠죠?
아래 그림을 참고하면 더 이해하기 쉬울거에요.
그래서 안쪽에서 회전하는 자석을 "회전자"라고 명칭을 할거에요.
실제로 회전자는 아래 사진처럼 생겼습니다.
회전자 가운데 보면 길다랗게 뭐가 하나 나와있죠? 그 애가 "샤프트"라고 하는 부품인데요, 샤프트에는 유성기어를 장착하는 등의 방식으로 감속기를 통해, 회전자의 토크를 외부로 전달해주는 역할을 합니다.
여기서부터는 기계전공이신 분들이 저보다 훨씬 잘 아실거에요.
IPMSM은 저 회전자 본체 내부에 영구자석(Permanent Magnet)을 박아넣어둔거라고 생각하시면 됩니다.
따라서, 회전자 내부의 영구자석이 존재하기 때문에 우리는 외부에서 자석을 회전시키기만 한다면, 회전자에 토크(회전하는 힘)를 줄 수 있겠죠??
그럼, 외부에서 어떻게 자석을 회전시킬까요?
바로 전자석을 이용하는 것입니다.
고등학교 때에도 배웠던 것 같은데, 아님 대학 때였나? 앙페르 법칙이라는 걸 잘 아실거에요.
전류가 있으면, 자기장이 생성된다!
우리는 전류를 흘려서 자석을 만들겁니다.
이 자석을 회전시켜서 실물로 존재하는 영구자석을 회전시키는거죠.
전류를 제어만 한다면, 전자석을 회전시키는 건 물리적인 힘이 들어가는 것이 아닙니다.
자속의 결합을 통해 전기에너지를 역학에너지로 바꾸는거죠.
실제로 모터에는 고정자라는 부품이 존재합니다.
회전자의 바깥쪽에 존재하며, 전류를 흘려보낼 수 있는 구리선이 어마어마하게 설치되어 있어요.
그 구리선에 전류를 흘려보내, 전자석을 만들고 전자석을 회전시켜 회전자가 회전하게끔 만듭니다.
아래는 실제 고정자의 모습입니다.
안쪽이 뻥 뚫려 있습니다. 저 안에 위의 회전자를 집어 넣게 됩니다.
그리고 구리선에 전류를 흘려보내 전자석을 회전시킴으로써 회전자가 물리적으로 회전하게 됩니다.
이 사진은 고정자 안에 회전자를 넣어둔 모습입니다.
구리선에 전류만 흘려보내면 안쪽의 회전자가 회전을 하겠죠?
정말정말 간단하게 모터의 동작원리를 설명해보았습니다.
다음 포스팅에는 회전하는 전자석을 어떻게 구현가능한지, 설명해보겠습니다.
최종적으로 모터 최대출력과 최대토크를 결정하는 요인과 효율을 개선하기 위해 엔지니어가 살펴봐야할 점,
권선배치와 자석배치에 따른 효율 개선 방법, 모터 동작시 발생하는 소음 및 진동을 개선하기 위해 고려해야하는 점, 모터제어 방법 등등 모터와 관련되서 엔지니어가 알아야하는 점을 최대한 쉽게 포스팅할 생각입니다.
때로는 수식이 들어갈 수도 있겠지만, 어디까지나 필요하신 분들이 참고하시라고 적는 것이고 전공을 하지않은 사람도 이해할 수 있도록 적어보도록 하겠습니다.
감사합니다.