전기차 모터로 3상 교류 동기 모터 IPMSM 사용하는 이유

전기차 모터로 3상 교류 동기 모터 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)을 사용하는 이유에 대해 알아보겠습니다. IPMSM 사용하는 이유와 슬립과 모터회전수, 영구자석형 동기모터에 대해 자세히 알아보겠습니다.

전기차에 3상 교류모터 IPMSM 사용하는 이유

높은 효율

IPMSM은 전기차 운전 시 높은 효율을 제공합니다. 내부에 사용되는 영구자석과 자기회로의 특성으로 인해 전력 손실을 최소화하고 전기 에너지를 효율적으로 전환합니다. 이는 전기차의 주행 거리를 연장하고 배터리 사용량을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

높은 토크밀도

IPMSM은 큰 토크를 생성할 수 있는 높은 토크 밀도를 가지고 있습니다. 효율적인 자기 회로 설계와 강력한 영구자석의 사용으로 인해 작은 크기의 모터에서도 충분한 운전력을 발휘할 수 있습니다. 이는 전기차의 가벼운 무게와 높은 가속성능을 실현하는 데 중요한 역할을 합니다.

정밀한 속도제어

IPMSM은 정확하고 정밀한 속도 제어가 가능합니다. 제어 시스템과의 탁월한 호환성을 가지며, 높은 응답성과 정확한 회전 속도 조절이 가능합니다. 이는 운전자의 조작에 민감하게 반응하며, 다양한 주행 상황에 대한 최적의 성능을 제공합니다.

유지보수의 용이성

IPMSM은 내부에 영구자석을 사용하여 브러시나 커뮤테이터 등의 정비가 필요하지 않습니다. 이는 유지 보수 비용을 절감하고 모터의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 또한, 내부 구조가 단순하고 신뢰성이 높아 신뢰성 있는 운전을 지원합니다.

 

3상 회전자계

자극이 회전하면 코일에 교류 전압이 생깁니다. 이때 3개의 코일에 생기는 전압은 주파수와 크기가 같습니다. 다만, 시간적으로는 120°의 차이를 가지고 연속적으로 발생합니다. 이렇게 120° 차이로 연속적으로 발생하는 교류를 3상 교류라고 합니다. 그리고 3상 교류 중 한 상을 별도로 사용하는 경우를 단상 교류라고 합니다. 이때 코일에 생기는 전압을 상 전압이라고 부릅니다. 이 단상 교류 3개가 합쳐져서 3상 교류를 형성합니다.
 

3상 교류 모터

 
3상 교류 동기 모터의 주요 구성 요소 중 하나는 3개의 코일로 이루어진 회전자계입니다. 이 코일은 중심 위치에서 120도 간격으로 배치되어 있으며, 각각에 3상 교류가 공급될 때 전류가 흐르면 회전자계에서 회전 자기장이 형성됩니다. 이렇게 형성된 회전 자기장은 전기차의 원활한 운전을 가능하게 합니다.

 

슬립(SLIP)

모터의 슬립은 회전자계의 회전 자기장 속도와 로터의 회전 속도 간의 차이를 나타냅니다. 회전자계의 회전 자기장 속도는 항상 로터의 회전 속도보다 빠르며, 모터가 정지 상태에서 기동되는 회전 자기장과 로터의 상대적인 속도 차이가 가장 큽니다.
슬립은 토크를 형성하기 위해 필수적이며, 부하에 따라 슬립율이 변할 수 있습니다. 부하가 증가하면 로터의 속도는 감소하고, 이에 따라 로터에 더 많은 전류가 유도됩니다. 이로 인해 모터의 소요 동력은 증가합니다.

 

모터의 회전수

모터를 일정 속도로 구동하고 변속기를 사용하는 대신 인버터를 활용하여 제어 시스템에 다양한 변수를 적용하여 모터의 최적 회전수를 조절하는 것은 매우 유리합니다. 이렇게 하면 소요 동력은 회전수의 세제곱에 비례하여 감소하므로 더 큰 전기 에너지를 얻을 수 있습니다.

모터를 일정 속도로 구동하고 변속기를 사용하는 대신 인버터를 활용하여 제어 시스템에 다양한 변수를 적용하여 모터의 최적 회전수를 조절하는 것은 매우 유리합니다. 이렇게 하면 소요 동력은 회전수의 세제곱에 비례하여 감소하므로 더 큰 전기 에너지를 얻을 수 있습니다.

 
 

P2 = P1 x (N2/N1)^3

 

• N1: 정격 회전속도
• N2: 인버터 제어시 회전속도
• P1: 정격 시 동력
• P2: 인버터 제어시 동력

 
인버터를 사용하여 동력을 제어할 때, 모터의 동력은 위의 식처럼 계산됩니다. 이는 인버터를 통해 모터의 회전수를 조절하고, 제어 시스템에 의해 다양한 변수를 적용함으로써 가능합니다. 이렇게 인버터에 의한 동력 제어는 모터의 성능을 최적화하고, 효율적인 운전을 가능하게 합니다.

 전기차 모터로 3상 교류 동기 모터(IPMSM)를 선택하는 이유와 슬립제어, 주파수제어, 영구자석형 동기모터(PMSM)의 이점을 살펴보았습니다. 이러한 기술과 모터의 구성 요소는 전기차의 운전 성능과 효율성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 전기차 산업의 발전과 함께 3상 교류 동기 모터의 역할은 더욱 중요해지고 있으며, 앞으로 더 많은 혁신과 발전이 기대됩니다.