모터 고조파 [시간고조파와 공간고조파]

 

모터의 효율성과 성능은 다양한 요인에 의해 좌우되며, 그중에서도 고조파는 매우 중요한 지표입니다.

 

특히 고조파는 주파수 스펙트럼에서 기본 주파수 외의 불필요한 신호 성분으로, 모터의 작동에 여러 부정적인 영향을 미치는데 이로 인하여 발열 진동부터 시작하여 주행감 감소부터 화재까지 정말 다양한 문제가 발생합니다.

 

결론적으로 모터에 대해서 이해하기 위해서는 크게 모터의 고조파에서 구분되는 시간고조파와 공간고조파를 이해해야 하고 이를 분석하기 위해서는 필수적으로 푸리에 급수를 활용하여 설계단계부터 고려가 들어가야만 합니다.

시간고조파 (Temporal Harmonics)

 시간고조파는 전원 공급에서 발생하는 비선형 현상으로 인해 시간에 따라 발생하는 고조파입니다. 전력 계통에서의 비선형 부하, 특히 전력 전자 장치와 같은 비선형 요소가 있는 경우에 흔히 발생합니다.

 

모터가 인버터와 같은 전력 전자 장치에 의해 구동될 때, PWM (Pulse Width Modulation) 방식의 스위칭 동작이 시간고조파를 생성합니다. 이는 기본 주파수 외에도 다양한 고조파 성분이 포함된 신호를 모터로 전달하게 되는데 결국 모터의 설계에 의해서 영향을 받습니다.

 

시간고조파가 야기하는 문제

시간고조파는 모터의 크게 3가지 부분에서 영향을 미칠 수 있습니다.

 

첫째, 고조파 성분이 모터의 손실을 증가시켜 발열을 촉진합니다. 이는 모터의 절연파트에서 문제를 유발하며, 결과적으로 모터의 전체 수명을 감소시킬 수 있습니다.

 

둘째, 시간고조파는 전자기적 간섭(EMI)을 유발할 수 있으며, 이는 주변의 다른 전자 장치에 간섭을 일으킬 가능성이 있습니다.

 

셋째, 고조파 성분이 회로에 역류하게 되면, 직접적 고장을 야기할 수 있습니다. 이로 인해 결국 이러한 문제로 필터는 필수적으로 사용되고 또 이필터로 인한 수명문제도 화두가 되고 있습니다.

 

시간고조파 해결방법

 

고조파 필터 사용: 고조파 필터는 전력 계통에서 발생한 고조파를 제거하거나 억제하는 역할을 합니다. 특히, 인버터 출구에 필터를 설치함으로써 모터로 전달되는 고조파 성분을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

 

PWM 전략 최적화: 인버터에서 사용하는 PWM 전략을 최적화함으로써 고조파의 발생을 최소화할 수 있습니다. 이를 위해 스위칭 주파수의 적절한 조정과 고급 PWM 기법(예: 공간 벡터 PWM)을 적용할 수 있습니다.

 

공간고조파 (Spatial Harmonics)

 

공간고조파는 모터 내부의 자속 분포가 이상적이지 않을 때 발생하는 고조파입니다. 이는 모터의 구조적 특성, 특히 슬롯(slot) 효과와 비대칭적인 자속 분포에 의해 유발됩니다.

 

실제로 모터에 자속이 공간적으로 균일하게 분포하지 않으면, 자속 밀도의 불규칙한 변동이 발생하여 공간 고조파를 생성합니다. 이 고조파는 모터의 공극(air gap)에서 발생하며, 자속 밀도의 공간적 변형을 나타냅니다.

공간고조파가 야기하는 문제

첫째, 고조파가 모터의 기계적 진동을 유발하여 소음을 증가시킬 수 있습니다.

 

둘째, 고조파로 인해 발생하는 불균일한 자속 밀도는 토크 리플(Torque Ripple)을 유발하여 모터의 출력 토크가 일정하지 않게 만듭니다.

 

셋째, 공간고조파는 모터의 발열을 촉진시켜 효율성을 저하시킬 뿐만 아니라, 장기적으로 모터의 수명을 감소시킬 수 있습니다.

 

공간고조파 해결방법

공간고조파를 줄이기 위한 방법은 주로 모터 설계 단계에서 고려됩니다.

 

슬롯 디자인 최적화: 모터의 슬롯 디자인을 최적화하여 공간고조파를 줄일 수 있습니다. 슬롯의 크기, 위치 및 형태를 조정하여 자속의 균일한 분포를 유도함으로써 고조파 발생을 최소화할 수 있습니다.

 

자속 분포의 균일화: 자속 분포를 균일하게 유지하기 위해 코어 재료의 선택과 자석의 배열을 최적화할 수 있습니다. 자속 밀도의 균일한 분포를 유도하여 고조파 발생을 억제할 수 있습니다.

 

구조적 비대칭성 최소화: 모터 설계 시 구조적 비대칭성을 최소화하여 자속 분포의 비대칭을 줄이는 것이 중요합니다. 이를 위해, 균형 잡힌 구조 설계와 정밀한 제작 공정을 채택할 수 있습니다.