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최근 수정 시각 : 2024-12-17 11:20:57

교류전동기

PMSM에서 넘어옴
1. 개요2. 유도전동기(IM)와 동기전동기
2.1. 유도전동기 (IM)
2.1.1. 특징
2.1.1.1. 장점2.1.1.2. 단점
2.2. 동기전동기
2.2.1. 장점2.2.2. 단점2.2.3. 센서리스 제어
3. 교류전동기 관련 용어
3.1. 브러시(Brushed) 전동기3.2. 브러시리스(Brushless) 전동기
3.2.1. BLDC(Brushless DC) 전동기3.2.2. BLAC(Brushless AC) 전동기
4. 교류전동기의 종류
4.1. 유도(비동기) 전동기4.2. 동기전동기
4.2.1. 영구 자석 동기전동기 (PMSM)
4.2.1.1. 장점4.2.1.2. 단점4.2.1.3. 종류
4.2.2. 비영구자석 동기전동기

1. 개요

交流電動機 / AC(Alternating Current) Motor

말 그대로 교류 전원을 직접 받아 회전하는 전동기를 말한다. 구조에 따라 크게 유도전동기(IM - Induction Motor의 약자)와 동기전동기(synchronous motor)로 나뉘며, 동기전동기는 다시 영구 자석 동기전동기(PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor의 약자)와 비(非)영구자석[1] 동기전동기로 나뉜다.

대부분의 교류전동기는 정류자(브러시)가 없는 형태를 띄며, 그래서 교류전동기도 브러시리스 모터의 일종이다. 교류전동기가 보통 브러시가 없는 구조를 갖는 이유는 전동기에 인가 되는 교류전원을 통해서 정류기능을 대체하거나 구동 원리 상 정류자가 불필요한 요소이기 때문이다.

직류전동기(DC Motor)와 교류전동기(AC Motor)의 구조적 특징은 자기 회로가 작동하는 모습을 보면 두드러지게 나타난다. 이를테면 직류전동기는 보통 계자 자극(Field Magnetic Pole)의 방향이 기계적으로 고정되는 구조를 갖는다. 왜냐하면 전동기가 연속적인 회전을 하기 위해서는 계자와 전기자의 자극각이 서로 수직으로 마주보는 상태를 유지해야 하는데 직류는 방향이 일정하므로 고정자의 자극을 변경하기가 매우 곤란하기 때문이다. 즉, 직류전동기는 고정자의 자극을 이동시킬 수가 없기 때문에 반대로 회전자의 자극을 기계적 회전각과 무관하게 일정한 방향으로 유지해주어야 연속적인 토크를 생성할 수 있으며, 그래서 브러시를 사용해 회전자의 자극이 한쪽 방향만 보게끔 유지하는 구조를 사용할 수 밖에 없다.[2]

반면에 교류전동기는 계자자극의 기계적 방향이 일정하지 않고 실제로 회전한다. 이것이 가능한 이유는 교류전원이 그 자체로 이미 각속도를 갖고 있는, 쉽게 말해 회전하고 있는 전류이기 때문에 전자석에 투입하면 자연스럽게 회전하는 자속이 생성되기 때문이다. 즉 고정자에 그냥 교류를 투입하는 것만으로도 고정자 자극이 회전하므로 회전자 내에서 자극이 따로 회전할 필요가 없이 회전자 자체의 회전각이 곧 회전자 자극의 방향이 될 수 있다. 그래서 직류전동기와는 달리 전기자가 고정자로, 계자가 회전자로 가는 구조가 허용된다.

2. 유도전동기(IM)와 동기전동기

교류전동기는 크게 유도전동기(induction motor)와 동기전동기(synchronous motor)로 나뉘는데, 전자기학적인 관점에서 두 방식의 작동원리는 근본적으로 같다고 볼 수 있다. 다만 이를 실제로 구현하는 전자기 회로의 관점으로는 구현 방식에서 차이를 보이는데 유도전동기는 전자기 유도 작용을 기반으로 회전자를 직접 자화시켜 구동하고, 동기전동기는 회전자 자석의 자기력과 자기저항 토크를 적극적으로 이용한다는 차이점이 있다.

유도전동기(induction motor)와 동기전동기(synchronous motor)는 이러한 설계의 차이로 인한 제어방식과 특성에 큰 차이가 있으며 장단점도 뚜렷하다.

2.1. 유도전동기 (IM)

誘導電動機 / IM - Induction Motor
파일:아라고의 원판.jpg
아라고의 회전은 1824년 프랑스의 물리학자인 프랑수아 아라고에 의해 발견된 현상이다. 아라고는 자석과 철 원판으로 이 현상을 입증하는 장치를 발명했는데 이를 아라고의 원판이라고 한다. 이 현상의 원리에 대한 구체적인 설명을 하기전에 먼저 전자기 유도 문서를 참고하는 것이 좋다.

아라고의 원판은 그림과 같이 철 원판 위에서 자석이 원판 바깥 부분을 따라 돌아주면 원판도 자석의 움직임을 따라 천천히 회전운동을 하게 됨을 보여주는 장치이다. 이 때 전자기력이 작용하는 순서를 보면 먼저 자석이 원판 위를 지나면서 원판에 자기장의 변화를 주게 되고, 이로 인한 전자기 유도 작용으로 원판에 전기장이 생기면서 와전류가 발생한다.

이 와전류로 인해 원판이 자화되어 자석이 되는데 이 때 와전류는 자석의 움직임을 억제하려는 방향으로 발생하게 된다. 이를테면 자석이 가까워지는 부분은 와전류가 시계방향으로 발생하고 자석과 동일한 극으로 자화되어 자석을 밀어내려 하며, 자석이 멀어지는 부분은 와전류가 반시계방향으로 발생하고 자석과 반대의 극으로 자화되어 자석을 끌어당기려 하게 된다.[3]

그런데 원판이 고정된게 아니라 매우 쉽게 회전할 수 있음을 상기하자. 이 때문에 원판이 자석의 움직임을 막으려는 작용이 결과적으로 원판을 끌어당기게 되어 원판이 자석에게 끌려가는 형태로 나타나게 된다. 즉, 원판을 회전시키는 토크가 생성되는 것이다. 이 원리를 이용해 회전자를 구동하는 전동기를 바로 유도전동기라고 한다.

이 발견 이후, 좀 더 시간이 지나 미국에서 한창 직류 교류로 피터지게 싸우던 1880년대에 니콜라 테슬라가 이 원리를 참고해 교류를 사용하는 전동기와 발전기를 개발하면서 유도전동기가 개발되었다. 약 10년 뒤인 1890년대에는 농형 유도전동기가 개발되면서 지금 우리가 아는 형태의 유도전동기가 나타나게 되었다.

2.1.1. 특징

2.1.1.1. 장점
2.1.1.2. 단점
이러한 단점은 그냥 유도전동기가 어쩔 수 없이 가져가는 물리학적 한계이며, 전력전자공학으로 해결이 가능한 영역이 아니다. 당연히 대부분 유도전동기를 쓰는 현장에서는 이를 감안해서 전동기 성능에 더 여유를 두든지 더 정밀하게 성능을 예측하게끔 드라이브를 설계해서 최대한 커버한다.

2.2. 동기전동기

파일:external/blogfiles.naver.net/sycmotor.jpg
3상 동기전동기의 원리.

同期電動機 / synchronous motor

동기전동기도 플레밍의 왼손 법칙으로 토크를 발생시키는데 유도전동기와는 달리 동기전동기의 계자는 여자된 코일이나 영구 자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 큰 차이점이 있다. 이렇게 회전자에 박혀있는 영구 자석이나 전자석을 직접 밀고 당겨서 토크를 내는 원리이므로 유도전동기처럼 교류전원을 먼저 투입해서 회전자를 자화시키고 어쩌는 등 복잡한 걸 할 필요가 없는 대신 회전자의 절대위치와 회전수에 맞춰서 교류전원을 투입시켜 회전자를 밀어주어야 제대로 성능을 낼 수 있다. 또한 반대로 고정자 회전자계의 회전속도에 맞춰서 회전자가 돌아가려는 성질을 가지기도 하므로 부하에 상관 없이 정속 회전이 필요한 시스템에 많이 사용되기도 하였다. 유도전동기는 슬립의 존재 때문에 외부요인에 따라 회전수가 쉽게 변동한다.

회전자 자계를 발생시키는 원리에 따라 여러가지 동기전동기가 있다. 일반적으로 계자자속원으로 영구 자석이 대표적으로 많이 사용 되는데 영구 자석 가격이 상승함에 따라 영구 자석을 쓰지 않거나 비중을 줄인 비영구자석 동기전동기, 혹은 하이브리드 동기전동기도 많이 쓰이고 있고 최근에는 거의 쓰이지 않지만 아예 회전자까지 코일로 된 동기전동기(WRSM)도 있다. 어찌되었든 고정자 회전자계와 회전자가 동기되어야 회전하는 전동기면 전부 동기전동기다.

2.2.1. 장점

2.2.2. 단점

2.2.3. 센서리스 제어

위치센서의 가격과 신뢰성이 정밀도에 따라서 전동기의 성능에 영향을 많이 주기 때문에 일부 모터드라이브는 고성능 마이크로프로세서와 전동기 전압방정식을 응용해서 위치센서 없이도 회전자의 각도와 회전속도를 추정하는 센서리스 제어를 구현하기도 한다. 센서리스 제어를 구현하면 위치센서와 관련 회로를 아예 생략할 수 있으므로 단가를 절감할 수 있고 상대적으로 전동기 기계설계가 자유롭다는 장점이 있다. 센서리스 제어의 성능은 전동기 제정수 변화의 영향이 크므로 보통의 범용 드라이브는 지원을 잘 안하는 편이고 센서드 제어에 비해 주변환경에 비교적 더 민감하며 대개 역기전력 위상을 관측하여 구현되므로 역기전력의 크기가 충분치 않은 저속 조건에서 사용하기 어렵다.

이것은 위치정보에 민감한 동기전동기에게는 치명적이므로 역기전력 관측이 어려운 저속 조건에서는 일정 주파수의 교류를 투입하여 최대 전류로 강제구동시키고, 그렇게 속도가 어느정도 붙으면 역기전력 관측법으로 넘어가는 방식을 많이 쓴다. 이런 식의 강제구동은 탈조 위험이 크고 충분한 토크를 기대할 수 없기 때문에 당연히 정지토크가 큰 경우에는 센서리스 제어법을 피하는 경우가 많았으며, 초기 구동시에 큰 충격이 발생할 수 있다보니 차량에는 쓰기가 곤란하다는 약점이 있다.
이런 초기 토크의 부족을 완화하기 위한 여러가지 방법이 있는데 아예 특정 위치로 회전자를 강제 정렬한 뒤 구동을 시작하기도 하고 그마저도 어렵거나 불안하면 하드디스크나 쿨링 팬 등의 같은 단순한 소형 브러시리스 시스템은 IPD(Initial Position Detection; 최초 위치 감지)기법[10]으로 권선에 6스텝 신호를 순차적으로 인가해 각 스텝의 전류 상승 시간을 비교하여 초기 로터 위치를 파악하는 방법을 이용하기도 한다. 이 방식은 정밀하게 위치를 알지는 못하고 전기적으로 대략 60도로 나누어 떨어지는 각도만 알아내지만[11] 그정도만 되어도 최대 토크에 근접하게 구동을 시작할 수 있기 때문에 복잡한 검출회로 없이 간단하게 소형으로 저렴하게 구현해낼 수 있다는 이점이 있다. 예시로 하드 디스크는 디스크의 큰 회전 관성에 비해 스핀들 모터의 출력이 작기 때문에 로터 강제 정렬이 곤란한데[12] 위 기법을 통해 로터의 위치를 파악하여 가속한 뒤 충분한 역기전력이 나오면 역기전력 검출 센서리스 제어로 전환한다. 하드디스크에 전원을 투입하면 짧게 비프음이 나는 이유가 이것 때문이다.
시간이 흘러 연구가 지속되고 마이크로프로세서와 전력 소자의 성능이 비약적으로 향상되면서 아예 저속 및 영속도 조건에서도 전동기를 센서리스 구동할 수 있는 고주파 주입법 등의 제어기법이 개발되었다. 이 기법은 전동기를 레졸버처럼 이용하는 것이 포인트인데 인버터가 인가 전압에 주파수가 훨씬 높은 고주파 전압을 섞어넣어서 이에 대한 고주파 전류 응답을 관측하는 방식이다. 이 경우, 충분히 높은 스위칭 주파수와 고성능의 마이크로프로세서, 정확한 전동기 제정수 정보, 특히 자기저항 분포가 정현적이면서 충분히 돌극성이 큰 전동기가 요구되고[13] 전류제어 성능의 저하, 소음, 낮은 위치정밀도, 추가적인 극방향 판별 과정 등의 단점을 갖는다. 때문에 위치센서를 쓰기는 싫지만 확실한 기동을 보장해야 하는 솔루션에 전용으로 튜닝을 하여 사용하고 필요한만큼 속도가 붙었다 싶으면 즉시 역기전력 관측법으로 전환한다.[14] 고주파 주입법으로 연속적인 센서리스 위치제어가 불가능하진 않지만 보통 위치제어용으로 쓰기에는 좀 성능이 애매하고[15] 속도제어에 쓰기에는 역기전력 관측법의 성능이 매우 좋기 때문에 보통은 주력으로 쓰지 않으며 초기 구동시에만 사용한다.[16]
센서리스 제어는 엔코더에 의존하지 않고도 제정수만 알면 전동기를 구동할 수 있어서 약간의 필수적인 정보만 넣어주면[17] 자동 튜닝을 통해 범용 모터 드라이브에서도 지원할 수 있다.[18] 다만 전동기 제정수는 구동조건에 따라 변동이 발생하므로 자동 튜닝만으로 전동기의 특성을 모두 파악하기 어렵고[19] 특히 고주파 주입법은 고전류 조건에 취약하므로 군용이나 항공에 들어가는 등등의 운용 조건이 좀 빡세거나 전동기 사양에 여유가 없는 경우에는 지금도 따로 튜닝해서 쓰는 경우가 꽤 있다.

센서리스 제어는 철도 차량 같은 대형 시스템에서는 잘 안쓴다. 왜냐하면 센서리스 제어를 하기 위해서는 마이크로프로세서가 탑재되어야 하는데 과거에는 전력제어 시스템에 마이크로프로세서 자체가 안붙는 경우도 많았고[20] 유도전동기는 굳이 구현을 해야할 필요성이 없었기 때문이다. 또한 저속 구동이 곤란하고 위치 센서의 단가가 전체 시스템 가격에 비해서 비중이 크지 않다보니 PMSM이 상용화 된 이후에도 비교적 최근까지 도입이 되지 않았었다. 상술한 저속 구동 기법인 고주파 주입법도 적용이 매우 곤란했는데 왜냐하면 보통 주입되는 고주파 전류의 주파수가 높고 전류량이 클수록 추정성능이 좋아지나, 이런 데에서 쓰는 대형 전력 소자는 이렇게 높은 주파수의 전류를 안정적으로 성형해낼 정도로 스위칭 주파수에 여유가 없는데다 그런 고주파 전류를 정밀하게 잡아낼 정도로 성능이 좋은 대용량 전류센서도 찾기 어려웠기 때문이다. 그래서 보통은 그냥 위치센서를 쓰는 경우가 많고, 실제로도 이 쪽이 훨씬 더 안정적이고 안전하다. 이런 환경에서 쓰라고 로터리 엔코더나 레졸버 같은 견고한 위치 센서들이 개발되는 것이다.
그럼에도 불구하고 도시바의 통근형 전동차 PMSM 트랙션 시스템은 IPMSM을 완전 센서리스로 구동하는 등#, 최근 들어서는 대형 시스템에서도 센서리스가 채용되는 경우가 없지는 않은데 이는 보통 위치센서가 전동기의 회전축에 장착되므로 이를 제거함으로써 전동기의 유지보수성을 개선하고 시스템 운용에 치명적일 수 있는 고장 요인을 하나 뺌으로써[21] 신뢰성을 향상시킬 수 있어서 그렇다. 또한 과거와는 달리 대형 전력 소자의 성능과 특성이 매우 우수해졌고 1C1M 구성이 강제되는 PMSM의 특성 상 개별 인버터에 요구되는 규모도 줄어드므로 전동차에서도 충분히 구현 가능한 범위로 들어온 것도 크다. 과거 VVVF에 쓰던 GTO 같은 스위칭 소자는 스위칭 속도가 아무리 높아봐야 1kHz 남짓이였고 그나마도 스위칭 효율이 너무나도 떨어졌기 때문에 고주파 전류를 만들 여유가 없었지만 요즘 사용되는 IGBT 등의 소자는 1MW 이상의 대용량 제품도 최소 10kHz 이상의 스위칭 주파수 정도는 가볍게 끊고 99%에 근접하는 스위칭 효율을 코웃음 치면서 찍는 수준으로 상상을 뛰어넘는 무시무시한 성능을 자랑한다. 참고로 전기자전거나 가전제품에 쓰는 전력 소자도 보통 스위칭 주파수가 10kHz 언저리에서 논다.[22] 즉슨 기관차를 구동할 수 있는 전력 소자가 가전제품에 들어가도 손색이 없을 수준의 성능을 내고 있다는 것으로, 현대 반도체 기술 수준이 어디까지 왔는지를 단숨에 실감할 수 있을 것이다.

3. 교류전동기 관련 용어

3.1. 브러시(Brushed) 전동기

위에도 서술했다시피 일반적인 교류전동기는 브러시가 없는 경우가 대다수이지만 있는 경우도 있다. 권선형 유도전동기나 계자권선형 동기전동기가 그 예인데 둘 다 계자자속의 제어가 필요한 경우이다. 브러시 전동기라는 명칭은 말 그대로 브러시만 붙었으면 교류전동기건 직류전동기건 붙을 수 있다.

3.2. 브러시리스(Brushless) 전동기

브러시리스 전동기들은 브러시 전동기와는 반대로 말 그대로 브러시가 없는 전동기를 전부 통칭한다. 때문에 전통적인 정의를 따른다면 거의 대부분의 교류전동기들은 전부 브러시리스 전동기다. 2010년 이후로 소형 PMSM이 RC나 드론 등에 많이 사용되면서 고유명사화가 된 경향이 있는데 정확한 표현은 아니다.

브러시를 쓰는 교류전동기는 있지만 브러시가 없는 직류 전동기는 엄밀하게는 없다. 직류 전원을 받는데 브러시도 없으면 극성을 스위칭할 방법이 없기 때문이다. 이런 유형의 전동기들은 BLDC라고 하며 외부 회로의 도움을 받아야만 제대로 회전한다.

이러한 내용은 항목 참조. 해당 문서는 BLDC나 브러시리스 모터 등의 용어들을 정확하게 사용하고 있지 않고 있음을 유의해야 한다.

3.2.1. BLDC(Brushless DC) 전동기

BLDC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 사다리꼴로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파로 순시적으로 변하는게 아니라 사각형에 가깝게 나오기 때문에 모터드라이브도 이런 파형 모양에 맞춰서 전압을 출력해줘야 제대로 제어할 수 있다. BLDC 전동기의 제어는 교류를 넣어준다기보다는 직류를 계속 상 순서를 맞춰 극을 바꿔가면서 넣어주는 개념에 가깝기 때문에 모터드라이브를 매우 간단하게 만들 수 있어서 소용량 위주의 수요를 가진다. 회전자가 상과 상 사이를 지난 후에는 파형이 직선으로 나가기에 각 상의 위치만 그때그때 알아내면 되므로 센서리스 구성도 매우 쉽고 회전자 위치도 정밀하게 알 필요가 없다.

대신 BLDC 전동기는 역기전력 상이 급격하게 바뀌므로 이 지점의 전류제어가 불안정해지는 특성이 있어서 이 지점에서의 코깅토크가 크게 발생하고 소음이 크며, 전기 잡음도 많이 만든다. 때문에 대용량 시스템에서는 적합하지 않다.

BLDC 전동기는 일반적인 벡터제어 드라이브로는 제대로 사용할 수 없다. 이는 상술했다시피 BLDC와 BLAC를 제대로 구분하지 못해 생기는 오류인데 보통 벡터제어 드라이브가 역기전력의 분포가 정현파로 나타나는 전동기를 전제로 하기 때문이다. BLDC는 60도로 나누어 떨어지는 6개의 벡터 외에는 전류벡터가 무의미하므로 드라이브도 이러한 특성에 맞는 출력을 내보내야 한다. 만약 BLDC 전동기에 벡터제어 드라이브를 쓰겠다면 그건 분명히 BLAC 전동기이거나 벡터제어 드라이브가 6 Step으로 작동중이거나 둘 다 아니라면 명백하게 잘못된 시스템을 구성한 상황이다.

BLDC 전동기에 벡터제어 드라이브를 연결하더라도 구동이 불가능하진 않지만 드라이브가 예상하는 전류 파형이 실제와 다르므로 전류제어에 큰 외란이 실려서 전류리플이 매우 극심해지고 너무 심하면 제어가 깨지거나 스위칭 소자의 파손이 발생하기도 한다.[23] 반대로 벡터제어 드라이브가 6-Step 드라이브의 운전을 모사하는 것은 쉽게 가능하므로 자신이 구동하는 전동기가 BLDC임을 인식하고 있으면 그에 맞춰서 전동기를 운전하는 것은 가능하다. 벡터제어기법의 구현은 하드웨어가 아니라 소프트웨어로 갈리는 부분이므로 단가의 차이가 있지는 않아서 당연히 지금은 거의 대부분의 모터드라이브들이 벡터제어법을 기본으로 한다.

BLDC라는 용어도 브러시리스와 마찬가지로 RC 및 드론에 많이 사용 되면서 그냥 영구 자석이 들어가는 아무 모터나 BLDC 모터라고 부르는 경향이 크다. 실제로도 소용량 전동기 중에는 역기전력 형상을 AC로 뽑아놓고 BLDC라고 파는 업체도 꽤 흔한데 상술했다시피 전동기 특성의 차이가 매우 크기 때문에 명확하게 구분된다. 이렇게 작은 모터들은 전류 파형이 불안정하다 한들 그냥 씹고 돌려도 큰 문제가 없기도 하지만 사실 역기전력 파형이 사다리꼴로 정확하게 나오게 만드는 것도 어느정도 사이즈가 되어야 할만한거지 너무 작으면 만들기가 힘들다. 그냥 소형 모터니까 대충 뽑아서 내놓은 것이 BLAC인데 고객들이 BLDC라고 부르니 BLDC라고 파는 것으로 보인다.

우리가 흔히 쓰는 쿨러들에 이런 저렴한 BLDC 전동기들이 들어간다. 저용량 BLDC 모터이기 때문에 이를 제어하는 제어소자도 새끼손톱만하고 기판도 무척 작게 만들 수 있음을 알 수 있다.

3.2.2. BLAC(Brushless AC) 전동기

BLAC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 정현파로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파 모양으로 나가기 때문에 모터드라이브도 이런 파형을 만들어서 출력해줘야 제대로 제어할 수 있다. 온전한 교류전동기라고 할 수 있지만 이 정현파 모양을 회전자 위치에 따라서 실시간으로 뽑아줘야 하기 때문에 위치센서의 역할이 상당히 막중하며, 그만큼 모터드라이브 구성도 복잡할 뿐더러 고속으로 삼각함수 계산을 해야 하므로 DSP가 사실상 필수로 들어간다.

BLDC와 반대로 BLAC 전동기는 역기전력 상이 부드럽게 바뀌므로 전류제어 성능이 언제나 일정하고 코깅이 적으며 전기적 충격이 거의 없어 대체로 고성능, 고용량 전동기들은 BLAC로 제작된다. 다만 토크의 일관성이 유도전동기보다 좋기는 어려운데 모든 위치에서 일정한 토크상수를 가지게 만드는 것은 거의 불가능하기 때문이다.

BLAC 전동기는 실질적으로 인버터가 달린 PMSM과 동일한 전동기를 의미한다. 정확히는 어느정도 학력이 있는 사람들은 BLDC 전동기를 전자회로의 보조를 받는 직류전동기로 이해하는데 당연히 직류전동기는 동기라는 개념이 없으니 PMSM에 들어가지 않는다. 하지만 업계 내에서는 의미를 모호하게 쓰는 경우가 많아서 인버터가 달린 영구 자석 BLDC인데 PMSM이라고 써놓기도 하므로 잘 알아보는게 좋다.

브러시가 없는 교류전동기로 종종 쓰기도 한다.

4. 교류전동기의 종류

4.1. 유도(비동기) 전동기

4.2. 동기전동기

4.2.1. 영구 자석 동기전동기 (PMSM)

PMSM은 계자 자속원으로 영구 자석을 이용하는 전동기다. 영구 자석으로는 페라이트, 네오디뮴, 사마륨 등을 이용하며 영구 자석의 성능에 의해 전동기의 내열성과 성능이 갈리는 경향이 크다.

PMSM도 위에서 언급한 동기전동기 자체의 장단점을 가지고 있다. 따라서 아래에 서술된 장단점은 동기전동기에 영구 자석이 포함되면서 가지게 되는 장단점을 정리한 것으로 이해하는 것이 좋다.

대한민국에서는 2020년대 들어 서울교통공사 신규 전동차에 PMSM 조건이 붙은 이후로는 직교류겸용 전동차를 제외하면 전동차 제조사를 가리지 않고 도시바 PMSM을 사용하는 추세이며[24] 노선 연장 등으로 서울교통공사가 발주하지 않고 다른 곳에서 발주하더라도 서울교통공사 노선에 투입되는 경우라면 PMSM을 적용하는 편이다.[25] 보통 PMSM의 동력효율이 가장 높게 나타나기 때문인 듯.
4.2.1.1. 장점
4.2.1.2. 단점
4.2.1.3. 종류
PMSM은 자석의 형태와 착자 방향, 배치를 적절히 선정하여 특성을 최적화하고 깨끗한 정현파 AC 모터를 제작하기가 매우 수월하다. 자석이 회전자에 어떻게 배치되느냐에 따라 표면형과 매입형으로 나뉜다.

4.2.2. 비영구자석 동기전동기

동기전동기는 동기전동기인데 영구 자석이 없는 동기전동기다. 영구 자석이 없으므로 희토류를 쓰지 않아 유도전동기의 저렴하다는 장점을 가지면서도 제어성과 효율이 상대적으로 좋은 동기전동기의 이점도 얻을 수 있다. 다만 자기저항 분포를 원하는 모양으로 깔끔하게 만들기도 어렵고 그나마도 온도, 전류, 주파수에 따라 변화가 심하기 때문에 특성이 무척 나쁘고 코깅토크가 매우 크며, 유도전동기보다는 낫지만 PMSM만큼의 성능과 효율을 가지지는 못한다. 이런 유형의 전동기는 자석이 없는 대신 릴럭턴스 토크를 이용하며, 이에 따라 릴럭턴스 전동기라고도 부른다.

릴럭턴스 전동기는 자기저항이 작아지는 방향으로 자석들이 정렬되는 원리를 이용한다. 이를테면 원통형 쇳덩이에 자석을 들이대고 이리저리 흔들어도 원하는 방향으로 쇳덩이가 끌려오지 않는데 그 이유는 어디에 갖다 대도 자화의 정도가 같기 때문이다. 그러나 이 쇳덩이를 톱니바퀴처럼 깎아놓고 자석을 들이대보면 톱니가 튀어나온 부분이 자석으로 휙 끌려간다. 이는 톱니가 튀어나온 부분이 쇳덩이와 자석 사이의 최소거리가 되는 부위이기 때문이며, 이 부분이 바로 자기저항이 최소가 되는 부분이기 때문이다. 릴럭턴스 전동기는 회전자 형상을 위치에 따라서 자기저항이 크게 변동하는 구조로 만들게 하고 고정자의 자계 방향을 적절하게 맞춰서 자기저항이 큰 부분에서 작은 부분으로 회전자가 딸려가게끔 상대위치를 유지함으로써 토크를 발생시키게 된다.

이런 이유로 보통 릴럭턴스 전동기는 반드시 전자제어를 받아야만 원활한 구동이 가능하다. 특히 회전방향을 바꾸기 위해서는 회전자계 방향을 뒤집기만 해서는 안되고 토크각도 뒤집어서 넣어줘야 하므로 고성능 제어를 위해서는 벡터제어와 위치센서가 필수적이다. 또한 계자자속이 전기자 전류를 따라가니 약계자 제어도 쉽고 역기전력의 한계를 받지 않아서 고속 전동기를 만들기도 좋다. 다만 릴럭턴스 전동기는 설계가 까다롭고 자기포화 문제로 고토크 전동기를 만들기 어려우며, 최대출력 특성이 너무 구려서 운전영역 전체를 활용하는 어플리케이션에 써먹기엔 고속토크가 많이 안좋다. 이를 보강하기 위해서 약간의 영구 자석이 붙기도 한다.

[1] 주로 전자석(electromagnet)을 사용한다.[2] 그런데 왜 굳이 회전자가 전기자가 되느냐 하면 결과적으로 회전자 전류를 회전시키는 것과 같기 때문에 = 회전자 자속의 각속도가 고정자 자속보다 상대적으로 빠르기 때문에 전기자 반작용이 회전자 회로에 실릴 수 밖에 없어서 그렇다. 따라서 전기자 반작용 때문에 고정자 전류보다 회전자 전류를 일정하게 하기가 더 어려우므로 고정자가 안정적인 자속을 제공하기가 훨씬 쉬우며, 그래서 고정자를 계자로 쓰는 것이다.[3] 방향에 대한 부분은 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙, 앙페르의 오른나사 법칙을 찾아보면 된다.[4] 현재 시점에서는 이런 대전력 스위칭 소자도 충분히 경제적인 수준으로 가격이 내려왔고 IGBT 등의 전압 구동 기반의 전력 소자를 사용하면서 스위칭 동작에 전력을 거의 쓰지 않게 되었지만 VVVF 제어 유도전동기가 주력이였던 과거에는 소자 자체의 가격도 무척 비쌀뿐더러, 이 시기에 사용되었던 GTO 등의 스위칭 소자는 스위칭 동작을 하는 데만 거의 수십 내지 수백 kW를 쓰는 수준으로 스위칭 효율이 좋지 않아 구동회로 자체의 발열과 전력소비량도 어마어마했으므로 인버터의 수를 늘리는 것이 전혀 경제적이지 않았다.[5] 극저속에서 교류 주파수가 극도로 낮을 수 밖에 없는 동기전동기는 사실상 저항 성분으로만 전류가 제어되므로 기계적으로 어떻게든 자속각을 맞춘다고 해도 각 전동기에 흐르는 전류를 균일하게 제어하는 것이 사실상 불가능하다. 게다가 직류 저항은 전동기 효율에 매우 큰 영향을 미치고 대형 전동기의 직류 저항 값은 밀리옴 단위로 나오기 때문에 전류를 제한할 목적으로 권선 저항을 올리는 것은 매우 비현실적이다.[6] 아예 회전축 가운데에 통로를 뻥 뚫어놓는 경우도 있는데 이를 중공형 전동기라고 부른다.[7] 왜냐하면 부피가 줄어들수록 방열에 쓸 표면적도 급속도로 줄어드는데다 열용량이 작아져 최고온도가 치솟기 때문이다.[8] 당연히 자석도 온도가 높을수록 성능이 떨어진다. 그러나 보통 특정 온도까지의 성능변화는 충분히 폐루프 제어기가 감내할 수 있는 정도로 변화폭이 크지 않다.[9] 비영구자석 동기전동기는 회전자 설계를 적절히 하면 상용 전원도 쓸 수 있게 설계할 수는 있다고는 하는데 일반적이지는 않다.[10] 이 기법은 원리 상 2상이나 3상, BLDC와 BLAC를 구별하지 않는다. 전부 같은 원리를 기반으로 하는 알고리즘을 쓴다. 센서리스 제어는 초저가 시장에서도 많이 쓰이는 기법이며 기존처럼 회로 수준에서 구현하기에는 가성비가 안맞으므로 아예 이런 목적으로 나오는 드라이버 IC 칩을 수백만 단위로 대량생산해서 쓰는데 이러한 IC 칩들은 손톱만한 사이즈 내에서 센서리스 BLDC 드라이브의 기능을 모두 구현하는 시스템을 고작 몇백원 내지 몇십원 정도로 구현한다. 하지만 IPD가 지원되는 IC는 모터에 맞춰 튜닝하여 전류 반응을 관측하고 비교하는 연산이 필요하며 정현파 변조, 시리얼 통신 및 보호 등 부가 기능을 위해 마이크로프로세서가 탑재되어 단가가 비교적 높다. 또한 하드디스크의 보이스코일/스핀들 콤보 컨트롤러 처럼 특수 목적을 가진 제품에 같이 탑재되는 경우가 많기에 IPD만을 위해 이러한 드라이버를 쓰지는 않는 편이다. 그래도 저가형 제품이 있기도 하고 안정적인 센서리스 시작에 홀센서를 생략할 수 있으므로 고급 제어가 필요한 경우 같이 탑재하면 전체적인 단가를 크게 낮출 수 있다. 이 외에 PC용 쿨러나 산업용 팬처럼 구조가 매우 단순한 모터는 홀센서를 이용하면 더 저렴하기도 하다.[11] 전류 상승속도는 회전자 자속의 영향을 받기 때문에 BLAC의 경우 좀 더 구체적인 위치 정보를 얻을 수 있다.[12] 구형 하드디스크는 강제정렬을 이용하기는 했다. 시작이 오래 걸리고 안정적이지 않았기에 하드디스크에서 지금은 사장된 방법이다.[13] 돌극성이 작거나 없는 표면부착형 PMSM은 회전자 각도에 따른 자기저항의 편차가 거의 없어서 고주파 전류를 투입해도 유의미한 위치정보를 얻기 힘들다.[14] 에어컨 압축기, 펌프 등의 큰 기동토크를 요구하는 솔루션에서 쓰고 특히 우주항공 분야에서 많이 쓰는데 이 기법을 이용하면 위치센서를 아예 생략하거나, 위치센서가 손상되더라도 전동기를 구동할 수 있다.[15] 왜냐하면 보통 위치제어를 쓰는 분야는 응답성과 정확도가 중요하기에 고성능의 전류제어와 정확한 전동기 제정수를 요구하는데 고주파 주입법은 원리 상 어쩔 수 없이 전류제어 성능과 제정수의 일관성을 모두 크게 악화시킨다. 전류제어가 늦으면 속도제어도 늦어지고 위치제어도 느려져서 응답속도에 타격이 크다.[16] 센서드 시스템 또한 속도가 붙으면 역기전력 관측법으로 전환하는 경우도 있다. 위치 센서의 한계로 고속에서 출력 펄스가 뭉개지거나 센서 자체의 불안정 등으로 인해 정확도가 낮아질 수 있으며, 고속에서는 역기전력 관측의 성능이 매우 좋기 때문에 넓은 속도 제어폭이 필요한 경우에는 이러한 방법으로 이득을 볼 수 있다.[17] 전동기의 물리적 형태, 유형, 극쌍수, 권선 결선 방식, 상 수 등등[18] 예시로, VESC 오픈소스 모터 드라이브는 FOC 구동을 위한 모터 제정수를 전류를 투입하여 자동으로 측정하며, 여기서 얻어진 정보로 거의 모든 브러시리스 모터에 고주파 주입법까지도 사용할 수 있다.[19] 특히 자기포화를 고려해야 할 정도로 출력밀도가 크거나 약계자 제어까지 하는 경우에는 자기저항의 드리프트가 극심하기 때문에 자동 튜닝 정보만으로는 제어 안정성을 보장하기가 매우 힘들다.[20] VVVF 시스템이 처음 개발되던 시기가 거의 1970년대인데 이 때는 마이크로프로세서를 통한 전동기 소프트웨어 제어라는 개념 자체가 없었다.[21] 이를테면 레졸버는 접지에 민감하다는 이유 등으로 위치 센서가 생각보다 고장이나 에러 나는 경우가 많은데, 얘네가 제어 도중 한두번만 삑사리를 내도 시스템 전체가 정지된다. 또한 위치센서 자체가 단종될 가능성도 있는데 보통 시스템이 특정 위치센서 스펙에 전용으로 맞춤 제작(customizing)하는 경우가 대부분이라 경우에 따라서는 대체품을 찾기가 곤란할 수 있다.[22] 이보다 높은 스위칭 주파수도 쓰긴 하지만 보통은 10W 미만의 초저용량 전동기 제어에나 쓴다. 이보다 높은 주파수는 보통 용량이 kW를 넘는 전동기들에서는 전류제어 성능에 유의미한 영향이 없을 뿐더러 마이크로프로세서들이 한 스위칭 주기마다 전류제어를 하다보니 처리속도가 빡빡하기도 하고 스위칭 주파수가 높을수록 스위칭 손실도 커진다. 그래서 보통 10kHz 언저리를 많이들 쓴다.[23] BLDC 전동기를 벡터제어 드라이브에 물려도 차이가 눈에 잘 안띄는 경우도 꽤 있다. 하지만 이는 드라이브가 압도적인 전류제어 성능으로 파형 오차를 억지로 씹고 돌리고 있는거지 정상적인 상황이 아니다. 이렇게 되면 전동기 효율과 운전영역의 넓이를 상당히 손해보게 되므로 드라이브와 전동기의 특성을 가급적 맞춰줄 필요가 있다.[24] 1, 4호선 같이 직교류구간이 존재하는 경우에는 최소한 미적용 IGBT가 적용된다. 2020년대 후반부터는 어떻게 될지 모른다.[25] 2021년 이후 도입된 4~5, 7~8호선 전동차들은 모두 PMSM이 적용됐다.[26] 이런 유형의 전동기는 전기적 설계상으로는 더 높은 RPM도 사용할 수는 있으나 방열이나 기계적 사양, 혹은 용도 상 일부러 해당 영역을 사용하지 않는 경우에 해당된다.[27] 약자속 제어라고도 한다.[28] 자기회로의 동작을 보면 PMSM의 약계자 제어는 고정자에서 회전자의 자극과 반대되는 자속을 형성하도록 두번째 전류를 투입하여(즉, d축에 역전류를 투입한다) 총 자속을 감소시킨다. 더 쉽게 말하면 전류 일부를 영구 자석의 자력을 억제하는 방향으로 투입한다고 이해하면 된다. 부가 설명으로, PMSM의 벡터 제어는 로터의 자극과 정렬된 d(direct)축 전류와 d축과 위상이 90° 차이나는 q(quadrature)축 전류를 분리하여 제어한다. 회전자와 고정자의 자극이 서로 90°일 때 최대 토크가 발생하므로 q축 전류는 토크를 발생시켜 모터를 회전시키는 힘을 만들어낸다.[29] ABB (ABB Group)는 전기차, 전기철도, 로봇, 에너지 관련 사업을 하는 다국적 기업이다. 스웨덴 ASEA(Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget)와 스위스의 Brown, Boveri & Cie (BBC)가 ASEA Brown Boveri로 합병하고 ABB로 줄여 부르게 되었다.[30] 연구가 오랫동안 진행되면서 Nd-Fe-B처럼 200℃ 내지 250℃까지도 내열성을 끌어올린 네오디뮴도 있고 그 이상으론 사마륨코발트 자석으로 약 650℃까지 끌어낼 수 있게 되었다.[31] 이 불가역 감자현상이 벌어지는 지점의 온도가 바로 퀴리 온도이다.[32] 위치 센서 오류, 노이즈, 단락 등등 모터드라이브의 제어를 깨뜨리는 이유는 무척 다양하다.[33] 사실 흡수를 하더라도 이런 식의 사고 전류는 제어가 안되기 때문에 2차 사고를 일으킬 수 있다. 이를테면 전기자동차에서 이런 사고가 발생하면 일단은 배터리가 에너지를 흡수해서 과전압은 발생하지 않겠지만 결과적으로 제어불가능한 회생제동이 걸리므로 별다른 조치를 하지 않으면 차량이 급제동 하며 제어불능에 빠지게 된다.[34] 모터드라이브가 파손된다는게 무슨 폭발물로 터트리는 수준을 의미하는 것은 아니다. 예를들어 전기자동차 같은 경우에는 전력소자 일부가 파손되어 쇼트가 발생했더라도 살아있는 나머지 전력소자들로 어떻게든 억지로라도 전동기를 굴려내는 등의 안전조치가 논의되기도 한다.[35] 파일:fw_efficiency.jpg[36] 앞의 S는 Surface의 약자.[37] 자석을 고정하기 위한 테이프와 접착제가 나쁜 환경조건에서 열화되면서 원심력을 이기지 못하고 자석이 이탈할 수 있고, 표면에 자석을 붙이는 작업의 결과물이 일정하기도 어려워서 제품마다 일관성 없는 편심이 생기기도 쉽다.[38] 앞의 I는 Interior의 약자이다.[39] 자석의 성능은 변화가 거의 없어서 상수로 봐도 되는데 릴럭턴스 토크를 내기 위한 자기저항이 모터의 주파수와 전류에 따라 변화폭이 크다.[40] Maximum Torque Per Ampere. IPMSM처럼 돌극비가 큰 전동기에서 자기 토크 및 릴럭턴스 토크 전류를 적절히 분배하여 같은 고정자 전류에서 최대 토크를 뽑아내어 효율 및 성능을 개선하기 위한 제어 알고리즘이다.

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