전기차 전동기의 극수 선정[전기차 모터 극수,전기차 모터 페러미터]

 

 전기차의 구동 시스템에서 전동기의 극수 선택은 차량 성능과 직결되는 중요한 요소 중 하나다. 그중에서도 특히 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)의 극수(pole number)는 전동기의 성능을 결정하는 핵심적인 변수로 이를 선정하는 데 있어 고려해야 할 사항이 많다.

 

 극수는 전동기의 효율, 비용, 제조 용이성 등 다양한 측면에 걸쳐 영향을 미치며, 전동기의 극수 선정 시 고려해야 할 사항이 매우 다양하지만 우선은 6가지정도로 정리해 살펴보자

1. 코깅 토크와 토크 리플

 

 코깅 토크(cogging torque)는 영구자석 전동기에서 고정자에 전류가 공급되지 않는 상태에서 회전자가 회전할 때 발생하는 주기적인 토크 리플(ripple)이다. 코깅 토크의 크기와 주기는 전동기의 극수와 슬롯 수의 조합에 의해 결정되는데, 극수와 슬롯 수의 최소공배수가 커질수록 코깅 토크의 피크값이 줄어들어 전동기의 토크 리플이 감소하게 된다.

 

  그러나, 내재형 영구자석 전동기(IPMSM)에서는 코깅 토크를 어느 정도 활용해야 하기에, 너무 낮은 극수는 오히려 성능 저하로 이어질 수 있다. 물론 극수를 너무 키우면 그에 따른 리플문제와 비용문제가 발생하고 말이다, 이에 따라 적절한 극수는 코깅 토크의 유익한 요소를 살리면서도 토크 리플을 최소화하는 방향으로 설정되어야 합니다.

2. 총자속량

 

 총자속량은 전동기의 출력 밀도와 효율에 직접적인 영향을 미친다. 극수의 선택에 따라 자속이 분포하는 방식이 달라지며, 이는 전동기의 성능에 지대한 영양을 끼치는데, 예를 들어, spoke 타입(매립형 영구자석 전동기)에서 극수의 최적화는 동일한 자석 양으로도 높은 출력 밀도와 고효율 설계가 가능하다,  spm대비 특정구간에서 높아지는 특성을 가지고 있기에 나오는 특성으로, 이는 전동기 설계 시 극수를 어떻게 결정하느냐에 따라 전동기의 기본적인 성능이 크게 좌우된기에 설계 시에 고려는 필수적이다.

3. 자석 감자

 

 이상설계를 한다고 해도 자석의 감자(demagnetization)는 전동기 설계에서 영향을 끼친다. 분명 이상적인 설계를 완료 하였는데 실제 조립 시, 동일한 크기의 전동기라도 극수에 따라 자석이 감자 되는 정도가 달라지며 이에 따라 효율이 급변한다.

 

 감자율이 3%만 증가해도 전동기의 토크는 동일하게 3% 감소하며, 이는 효율 저하되어 폐기해야하는 전동기가 설계된다. 따라서 극수 선정 시에는 감자 성능을 고려해 최적의 자석 배치를 결정하는 것이 필수적이다.

4. 비용

 

 이론적으로 완벽한 전동기 설계를 하더라도, 현실적인 비용 문제는 극수 선택에 큰 제약을 가하게 된다. 예를 들어, 2극과 20극 전동기를 가정해 보면, 20극 전동기의 제작 비용은 극단적으로 증가할 뿐만 아니라 실제 양산성에도 문제가 발생 확률이 매우 높다. 특히 NdFeB 자석과 같은 고비용 소재를 사용할 경우, 자석의 표면에 산화 방지 코팅을 해야 하므로 비용이 더욱 상승하며, 이에 따른 불완전 착자부터 실제 수율 문제까지 수많은 문제들이 따라온다. 

5. 조립 후 착자 성능

 

 전동기의 극수는 조립 후 착자 성능에도 영향을 미친다. 특히 매립형 영구자석 전동기의 경우 극수에 따라 착자 성능이 달라질 수 있다. 예를 들어, 4극과 6극 전동기를 비교했을 때, 6극 전동기가 이론적으로는 더 높은 효율을 보일 수 있지만, 실제 양산 과정에서 착자 성능이 저하될 경우 전체 설계를 재검토해야 하는 상황이 발생할 수 있다.

이 때문에, 극수 결정 시 양산성 또한 고려해야 하며, 착자 성능을 최대한 확보할 수 있는 방향으로 설계하는 것이 중요하다.

6. 동작 속도

 

 고속 전동기의 경우, 극수는 동작 속도와 밀접하게 연관되어 있다. sm의 경우 동작 속도는 일반적으로  120f/p로 계산되며, 극수가 많아질수록 입력 주파수를 높여야 한다.

 

 이때 인버터의 성능이 제한 요소로 작용할 수 있으며, 인버터의 성능이 이를 뒷받침하지 못하면 동작이 불가능 하기에 시스템 전체의 비용이 증가하게 된다. 물론 2 스테이지 인버터부터 수많은 기술이 따라오지만 실제 전기차 모터 설계 시, 인버터의 제어 성능과 극수 간의 균형을 맞추는 것이 매우 중요하다. 이는 결론적으로 전동기의 극수에 대한 현실적인 제한을 의미하며, 극수 결정에 있어 중요한 고려사항이 된다.