전기차 모터 원리 [3상 전류와 회전자계]

 

 

모터의 동작 속도 결정 방식

 

이전글에서 모터의 동작속도 결정 방식에 대해 이야기했다. 이전 직류기에 대해 논하였고 동기 기와 유도기에 대하여 논하기 위해서는 3 상전류를 먼저 이해해야 한다.

 

 우선 철탑을 떠올려보자. 전기공학적으로 3상은 꽤나 유의미한 지표로 다양한 곳에 활용된다. 특히 시간에 따라 흐르는 전류의 양이 변하기에, 전력공학에서는 송전 안정성을 극대화하는 데 사용하며, 뿐만 아니라, 모터에서는 3상을 통해 회전력을 얻는 데 활용한다.

 

 전기모터와 전기차에서의 3상 전류는 전기 에너지를 회전 운동으로 변환하는 데 핵심적인 역할을 하며, 3상 전류가 공간상에서 균등하게 배열된 코일을 통과하면 회전하는 자기장이 생하여 회전력을 부여한다.

 

 여기서 회전력을 부여하는 자계를 회전자계(Rotating Magnetic Field, RMF)라고 부르며, 3상을 사용한 회전자계의 개념은 전기 모터, 특히 3상 유도 모터와 동기기에서 사실상 핵심이다. 좀 더 쉽게 말하면 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이며, 별도의 큰 손실 없이 높은 효율성을 보여준다는 점에서 중요한 기술이다. 이 점을 염두에 두고 이야기를 이어가자.

2. 3상 전류와 회전자계의 유래

 3상 회전자계는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 데 있어 혁신적인 발명으로, 19세기말 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)가 개발한 것이다. 당시 전기 모터 기술은 주로 단상 전류를 사용해 작동했으며, 단상 전류는 진동하는 자기장을 생성하여 회전자를 효율적으로 회전시키기 어려웠다.

 

 테슬라는 전기기기에서 더 효율적으로 회전력을 생성할 수 있는 방법을 연구하던 중, 3상 교류를 활용한 시스템을 제안했다. 이 시스템은 서로 120도의 위상 차이를 가지는 세 개의 전류로 구성되며, 이를 통해 시간이 지남에 따라 자연스럽게 회전하는 자기장이 형성된다. 이러한 원리는 전기 모터의 지속적인 회전 운동을 흐름만으로 제어할 수 있다.

3. 3상 전류와 자기장의 생성

3상 회전자계를 이해하기 위해서는 먼저 3상 전류의 특성을 알아야 한다. 3상 전류는 서로 120도 위상 차이를 가지는 세 개의 전류로 구성되며, 이 세 전류는 각각의 코일에 흐르면서 시간에 따라 교대로 변한다. 예를 들어, A상, B상, C상이라 불리는 세 상이 있을 때, 다음 수식과 같은 형태로 전류가 흐르게 된다.

 

 이때, 각 전류는 시간에 따라 크기와 방향이 변하며, 전류의 변화는 각 상의 코일에 자기장을 유도하게 된다. 중요한 점은 세 전류가 동시에 서로 다른 위상 각도를 가지기 때문에, 각 코일에서 생성되는 자기장도 서로 다른 위상 차이를 가지게 된다.

4. 회전자계의 형성 원리

 

 3상 교류 전류가 세 개의 고정자 코일에 흐를 때, 각 코일 주변에는 시간이 변화하면서 진폭과 방향이 변하는 자기장이 형성된다. 이 자기장들은 각각의 위상 차이 때문에 공간적으로 서로 다른 방향으로 형성되지만, 세 개의 자기장이 합성되어 일정한 속도로 회전하는 하나의 회전자계를 만든다.

 

 이를 쉽게 이해하기 위해, 세 코일을 120도씩 배치된 위치에 있다고 가정하면, 각 코일이 생성하는 자기장을 벡터로 표현할 수 있다. 시간에 따라 변화하는 세 벡터는 특정 순간에 한 코일에서 강한 자기장이 생성되고, 다른 두 코일에서는 약한 자기장이 형성된다. 시간이 흐르면서 위상 차이로 인해 강한 자기장이 생성되는 코일이 교대로 변화하고, 이러한 변화는 공간적으로 회전하는 자기장을 형성하게 된다.

수학적으로 설명하면, 공간 벡터는 다음과 같이 표현된다

 

이 벡터는 시간에 따라 회전하며, 일정한 속도로 움직이는 자기장을 만든다. 이러한 회전자계는 모터가 부드럽고 일정하게 회전하게 한다고 이해하자

5. 3상 회전자계의 응용: 모터의 원리

3상 회전자계의 개념은 전기 모터, 특히 3상 유도 모터와 동기기에서 중요한 역할을 한다. 3상 유도 모터는 회전자계의 회전에 따라 회전자가 동기적으로 회전하며, 이를 통해 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 

 

다음 사진과 같이 상뱔 전류를 따로 흘리고 평균값을 내게 된다면 다음과 같은 크기의 에너지가 흐른다 이해하자, 결론적으로 이러한 백터의 크기값의 합의 어렵지 않게 떠 올릴 수 있는데3개의 합의 총합은 외부의 전력값이 없을 때 특정 수치값으로 나타낼 수 있고 위 그래프로 이해하면 된다..