전기차가 사용하는 동기 전동기란 무엇인가?

1.1 동기 전동기의 정의와 기본 개념

 

 

 동기 전동기(Synchronous Motor)는 회전자와 고정자의 회전 자기장이 동일한 속도로 회전하는 전동기이다.

 

 교류 전압이 공급될 때 고정자가 생성하는 회전 자기장이 회전자(로터)의 자석 또는 전자석과 동기화되므로, 회전자는 전력 주파수에 비례하는 고정된 속도로 회전하게 된다. 이 특성 덕분에 고정된 주파수의 전력 공급에서 일정한 속도로 회전하며 동기 속도와 일치하여 슬립이 거의 없는 장점을 갖는다.

 

 조금 더 직관적으로 설명하자면, 동기 전동기는 회전자와 고정자 간의 슬립이 없어 회전자계와 동일한 속도로 구동되며, 높은 효율과 정밀한 제어가 요구되는 산업용 기계나 전기차에 적합한 전동기이다.

 

 동기 전동기는 여러 개의 코일로 구성된 전자석과 영구자석을 활용하거나 전자석만을 사용하는 방식에 따라 다양한 종류로 나뉘며 차량회사마다 조금씩 다른 전동기를 사용하고 있다. 오늘은 이러한 동기 전동기의 개념과 특징, 장단점에 대해 상세히 알아보자.

1.2 동기 전동기의 구조와 원리

 

동기 전동기는 기본적으로 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)로 구성된다. 고정자는 회전 자기장을 형성하기 위해 교류 전류를 통과시키는 코일로 감겨 있으며, 회전자는 자기장을 유지하는 영구자석 혹은 전자석으로 이루어져 있다. 동기 전동기에서는 고정자에서 발생한 회전자계가 회전자와 동기화되어 함께 회전하며, 회전자와 고정자의 자기장 간의 상호작용을 통해 회전력이 발생한다. 이를 통해 일정한 속도로 회전할 수 있는 동기 전동기의 특성이 나타난다.

1.2.1 고정자와 회전자

고정자(Stator)

 

고정자는 외부 전원에서 공급된 교류 전류를 이용하여 자기장을 생성하는 역할을 한다. 고정자 코일에 흐르는 전류가 교류일 경우, 고정자는 일정한 주파수로 회전하는 자기장을 형성한다.

 

회전자(Rotor)

 

회전자는 고정자의 회전자계와 동기화되어 함께 회전한다. 동기 전동기의 종류에 따라 회전자는 영구자석을 사용하거나, 외부 전원을 통해 자화를 유지하는 전자석으로 구성될 수 있다.

1.2.2 동기 전동기의 원리와 동작 방식

동기 전동기의 원리는 고정자에서 발생한 회전자계가 회전자와 동기화되어 함께 회전하면서 전동기가 일정한 속도로 회전하도록 하는 것이다. 교류 전류가 공급될 때 고정자에서 발생하는 회전자계는 일정한 속도로 회전하며, 회전자 내부의 자석 또는 전자석이 이 회전자계와 동일한 속도로 따라가면서 전동기가 회전하게 된다.

 

이를 수식적으로 표현하거나 지배방정식을 유도는 꽤나 복잡해지니 자세한 것은 다음글에서 다루도록 하겠다.

2. 동기 전동기의 장점

 

 동기 전동기의 장점은 에너지 효율, 속도 안정성, 정밀한 제어가 가능하다는 점에서 다양한 분야에서 널리 사용된다. 이는 3상 회전자계를 통한 고정된 속도로 작동하기 때문에 나타나는 특성으로, 크기에 따른 출력을 비교한 지표를 보면 동기 전동기의 출력이 가장 높은 것이 사실이다.

2.1 고효율과 높은 출력

 동기 전동기는 다른 전동기와 비교해 고정된 속도로 작동하며, 슬립이 없으므로 에너지 손실이 적고 효율이 높다. 이는 특히 PMSM과 같은 영구자석을 활용한 동기 전동기에서 두드러지며, 전력 손실이 줄어드는 효과를 통해 높은 에너지 효율을 자랑한다. 또한 동기 전동기는 속도가 일정하게 유지되므로 높은 출력을 요구하는 상황에서 유리하며, 크기에 비해 높은 출력을 얻을 수 있다.

2.2 정밀한 속도 제어

동기 전동기는 고정된 회전 속도로 동작하여 정밀한 속도 제어가 가능하다. 고정된 주파수의 교류 전류에 따라 일정한 회전 속도를 유지하므로, 속도 안정성이 필요한 산업 설비나 전기차에서 매우 유리하다. 

2.3 열 발생이 적고 냉각이 수월함

 PMSM과 같은 동기 전동기는 영구자석을 사용하여 자속을 유지하기 때문에, 전자석을 사용한 전동기와 비교해 열 발생이 적다. 열 발생이 적다는 것은 추가적인 냉각 시스템에 드는 비용과 에너지 소모를 줄일 수 있음을 의미한다. 이는 특히 장시간 작동하는 전기차나 산업용 설비에 적합하며, 냉각 시스템 설계가 단순해질 수 있는 장점이 있다.

 

문제는 종류중 하나인 WRSM에서는 또 다른 문제로 적용하는 단점인데 이는 동기전동기의 종류에서 자세히 다루도록 하겠다.

3. 동기 전동기의 단점

 

물론 위에서 이야기한 것처럼 장점만 가지면 얼마나 좋을까 동기 전동기는 몇 가지 단점도 가지고 있다. 영구자석을 사 용한 동기 전동기(PMSM)의 경우, 계자에서 발생하는 자속량 제어가 불가능하기에, 부하 변동 시 이를 제어하기 위해 복잡한 제어 기법이 필요하다.

3.1 약계자 제어의 필요성

 영구자석을 사용하는 PMSM의 경우 자속 제어가 불가능하여 약계자 제어(Field Weakening Control)라는 복잡한 제어 기법이 필요하다.

 

 약계자 제어는 전동기 속도가 최대 속도 이상으로 증가할 때 적용되며, 이를 통해 전동기의 출력 전류를 줄이고, 자속 밀도를 낮추어 회전자를 보호한다. 하지만 이 과정은 매우 복잡한 알고리즘을 필요로 하며, 이를 제어하기 위한 인버터의 개발 비용이 크게 상승한다. 실제로 이에 대한 기준으로 해석을 하고 설명을 하는데 약계자제어파트는 나중에 깊이 있게 다루겠다.

3.2 유도 전동기 대비 높은 비용

동기 전동기는 고가의 영구자석을 사용하거나 복잡한 제어 시스템이 필요하므로 유도 전동기에 비해 초기 비용이 높다. 특히 고성능의 희토류 자석을 사용하는 경우, 자석 가격이 급등할 경우 비용 부담이 커진다. 이러한 이유로 자동차 업계에서는 고속 회전이 필요한 전기차의 구동 시스템에 PMSM을 사용하는 동시에, 낮은 속도의 보조 시스템에서는 유도 전동기를 사용하는 등 혼용하는 경우가 많다.

3.3 제어 시스템의 복잡성

동기 전동기는 고정된 속도로 회전하는 특성상 복잡한 제어 시스템이 요구된다. 특히 전기차와 같은 응용 분야에서는 부하의 변동에 따라 즉각적으로 반응해야 하므로 정밀한 제어 알고리즘이 필수적이다. 예를 들어, PMSM에서는 약계자 제어 외에도 벡터 제어(Vector Control)와 같은 고급 제어 기법을 사용해야 하며, 이러한 제어는 고가의 인버터와 복잡한 알고리즘을 필요로 한다.

 

전기자동차 모터 기술 약계자 제어의 활용 과 최적 운전점 찾기