전기자동차 영구자석 동기모터 PMSM 종류와 속도 주파수 제어

전기 자동차 모터 중 영구자석 동기모터인 PMSM에 대해 종류, 속도제어, 주파수 제어, 그리고 동기모터의 특성에 대해 알아보겠습니다. 매립형 영구자석 동기모터인  IPM 또는 IPMSM과 표면성 영구자석 동기모터 SPM 또는 SPMSM에 대해 살펴보겠습니다.

 

영구자석 동기모터 종류

 

영구자석형 동기모터

영구자석 동기모터에는 회전자에 자석을 배치하는 방법에 따라 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째는 표면자석형 회전자(SPM)로, 계자(스테이터)와 자석 사이의 거리가 가까워 자력을 효과적으로 활용할 수 있고 토크가 큰 특징을 갖고 있습니다. 하지만 고속 회전 시 자석이 벗겨지거나 손상될 수 있는 위험이 있습니다. 두 번째는 매립 자석형 회전자(IPM)로, 고속 회전 시 위험성은 없지만 자력이 약하고 토크가 작습니다. 

 

전기차 동기모터

 

이중에서 실제 전기차에서 사용하는 매립형 영구자석 동기모터 IPM에 대해 알아보겠습니다.

매립형 영구자석 동기모터 IPM

3상 교류 모터의 한 종류인 IPM(Interior Permanent Magnet) 형 복합 회전자는 전기자동차와 하이브리드 자동차에서 주로 사용되는 동력 공급 장치입니다. 이 모터는 간단한 구조를 가지고 있으면서도 희토류 자석의 강력한 힘으로 큰 토크를 발생시키는 영구자석형 동기 모터입니다. 회전자(로터)는 IPM형 회전자를 사용하며, 자석의 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 발생시키기 위해 철심에 돌극을 배치하는 형태를 갖추고 있습니다.

IPM형 복합 회전자는 SPM형 회전자보다 토크 면에서는 약간 불리하지만, 총 토크량에서는 큰 이점을 가지고 있습니다. 

전기차 모터 속도제어

전기차 모터의 속도 제어는 인버터를 통해 이루어집니다. 인버터는 모터의 회전수를 조절하여 최적의 동력을 실현하기 위해 사용됩니다. 회전 속도와 소요 동력은 비례 관계를 갖습니다.

수식으로 표현하면 다음과 같습니다. 

 

P2 = P1 x (N2/N1)^3

 

여기서

N1은 정격 회전속도,

N2는 인버터 제어 시 회전속도,

P1은 정격 동력,

P2는 인버터 제어 시 동력을 나타냅니다.

이를 통해 인버터를 사용하여 모터의 회전수를 최적으로 제어함으로써 큰 에너지를 절감할 수 있습니다.

동기모터 주파수제어

동기모터의 주파수 제어는 모터의 회전속도에 따라 토크가 변동하는 특성을 이용합니다. 모터의 회전속도가 증가하면서 토크는 감소하지만, 모터 구동 시작 시에는 큰 토크를 발생시키므로 모터 구동에 적합합니다. 또한 동기모터의 전류 주파수를 인버터를 통해 제어하면 최대 토크와 정격 출력을 원하는 회전수까지 유지할 수 있어, 변속장치 없이 자동차를 원활하게 구동할 수 있습니다.

동기모터 특성

동기모터는 고온에서 지속적으로 사용될 경우 코일 손상의 위험이 있으므로 온도, 기계적 강도, 진동 등의 측면에서 적정 회전수를 설정하고 있습니다. 최대 토크는 모터가 허용할 수 있는 정격 전류에 의해 결정되며, 회전속도가 증가하면 출력도 함께 증가하지만 열 발생이 증가하므로 적절한 출력 제어가 필요합니다.

 

특히 전기 자동차에서는 공급 전력이 고전압 배터리에 저장된 에너지의 한계로 제한되는 문제와 고속 회전 시 토크가 급격히 감소하는 특성에 주의해야 합니다.