전기차용 동기전동기의 종류[IPMSM, WRSM ,V-type]

 

 

 전기차용 동기 전동기는 자속을 생성하는 방식과 구조에 따라 여러 가지로 구분된다. 주요한 종류로는

PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor),

IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor),

WRSM (Wound Rotor Synchronous Motor)

등이 있다.

 

사실 동기전동기의 경우 자속 생성 방식에 따라 동기 전동기는 크게 두 가지로 나눌 수 있고, 이는  권선계자형과 영구자석형으로 구분한다. 뿐만아니라 권선계자형은 원통형과 돌극형으로, 영구자석형은 표면부착형과 자석 매립형으로 세분화된다.

 

 특히 자석 매립형의 경우 내부 자석의 배치 방식에 따라 더욱 다양한 형태로 나눌 수 있다. 우선적으로 말할껀 전기차에서  가장 널리 사용되는 것은 IPMSM이며 이를 또 자석타입에 따라 구분해야 하는데 우선 이야기에 들어가 보자,.

 

 

최 우선적으로 알아야하는건 자석의 형상에 따른 구분은 꽤나 복잡하다는거다 자석의 형상에 따라 이를 구분하고 일반적으로 위치에 따라 구분한다 한번아래서 다뤄보자

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2.1 SPMSM (Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)

 

 

 

SPMSM은 표면부착형이란 이름으로  영구자석을 회전자 표면 배치하여 자속을 생성하는 동기 전동기이다.

 

 고정자와 회전자 간의 자속이 일정하게 유지되기 때문에 슬립이 없고 높은 효율을 유지할 수 있는데다, 제작이 매우쉽다는 장점이있다.

 

하지만 고속으로 갈수록 표면에 부착된 자석은 원심력으로 인한 자석의 산발 현상, 즉 밖으로 튀어나오려는 현상이 한계로 지적되어 왔고, 결국 이 문제를 해결하기 위해 IPMSM이 등장했다.(릴럭턴스 토크도 중요하지만 말이다)

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2.2 IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)

IPMSM은 PMSM의 일종으로, 영구자석을 회전자 내부에 배치하는 구조를 가진다. 외부에 자석이 배치되는 SPMSM과는 달리, IPMSM은 회전자 내부에 영구자석을 내장하여 기계적 강도를 높이고 높은 효율을 유지한다.

 

기계적인 강도의 강화로 인해 산발 현상의 단점을 최대한 잡았을 뿐만 아니라, IPMSM은 특히 고속에서 약계자 제어를 통해 효율을 최적화할 수 있는 구조다.  뿐만아니라 내부에 영구자석을 배치하여 자속 손실을 최소화하고, 부하가 걸릴 때도 안정적인 제어가 가능하다. 물론 표면부착형에 비해 자속은 좀더 작겠지만 자석을 내부에 넣음으로써 또 하나의 장점이 나타나는데, 이는 회전자 내부에 영구자석을 내장한 구조이기에, 영구자석에서 발생하는 자속과 함께 회전자의 형상에 따라 릴럭턴스 토크를 추가로 활용할수 있다는 것이다. 이를 통해 자속에 의한 토크와 릴럭턴스 토크가 결합되어, 높은 출력과 효율을 동시에 얻을 수 있다.

 

 

문제는 내부의 자석이 모양에 따라 바 타입, SPOKE 타입, V 타입으로 구분되고 이에대한 세부배치가 다양하는 점으로 이는 아래서 살펴보자

 

2.2.1. 바 타입 (Bar Type)

IPMSM의 바 타입 자석 배치는 자석을 회전자 내부에 바(막대) 형태로 배치하는 방식으로, 회전자 축에 평행하게 길게 배열된 자석이 특징이다. 사실 최고 장점은 제조 용이성으로 V형이나 SPOKE타입에 비하면 대량생산에 적합하고 토크 가 매우 균형잡히게 나온다.

 

문제는 IPMSM에 기대하는 릴럭턴스 토크의 활용이 제한적인 데다가 다른 타입에 비하면 토크밀도가 낮기에 한계가 존재하는 타입이다.

 

2.2.2. 스포크 타입 (SPOKE Type)

 

IPMSM의 SPOKE 타입 자석 배치는 자석을 회전자 내부에서 축 방향으로, 즉 회전자의 스포크(바퀴의 스포크처럼 방사형으로 배치된 형태)처럼 배치하는 방식이다. 

 

SPOKE 타입에서는 자석이 회전자에 방사형으로 배치되어, 토크밀도나 출력이 강하다는 장점도 있지만 자속이 특정 경로로만 집중된다. 거기에 약계자 제어시 릴럭턴스 토크와 강하게 상호작용이 일어나기에 활용이 힘들고 고속으로 갈수록 자속 제어가 잘되지 않아 고속 효율이 상대적으로 떨어진다.

 

2.2.3. V 타입

 

V형 배치는 자석을 회전자 내부에 V자 형태로 배치하여 릴럭턴스 토크와 자속 토크를 효율적으로 결합할 수 있는 구조다.

 

이 배치 방식은 자석을 내부에 깊숙이 매립해 고속에서도 자석 산발(자석이 밖으로 튀어나가는 현상)을 방지하며, 약계자 제어를 통해 고속 주행 시 효율을 높이는 데 유리하다.

 

쉽게 말하면 전기차에 특화된 구조라는 것으로, V 타입은 FOC(Field Oriented Control) 시 자속 토크와 릴럭턴스 토크가 잘 결합되어 있 토크리플 최소화와 진동최소화가 상대적으로 쉽다.

 

 그러나 회전자 내부에 자석을 배치하기 때문에 구조적으로 복잡하며, 제작 비용이 증가하고, 이 릴럭턴스 토크의 활용도 정말 어려워 제어 난이도가 증가하는 단점이 있다.

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2.3 WRSM (Wound Rotor Synchronous Motor)

WRSM은 영구자석 대신 회전자에 전자석을 사용하는 동기 전동기다. 회전자에 전선을 감아 전류를 공급해 자속을 생성하며, 이를 통해 외부에서 계자 전류를 조정하여 자속 제어가 가능하다. WRSM은 높은 토크와 출력 밀도를 가지며, 부하에 따라 자속을 유연하게 제어할 수 있어 큰 출력을 필요로 하는 산업용 설비나 고속 기계에 적합하다.

 

특히 WRSM은 자속 제어가 가능해 고속 제어에 유리하며, 인버터를 통해 계자 전류를 제어하여 다양한 부하 조건에서도 안정적인 작동이 가능하다. 하지만 구조가 복잡하고 회전자에 계자 전류를 공급하기 위한 추가적인 슬립링이나 브러시가 필요하므로, 이러한 부품의 유지보수가 필요하며 효율이 떨어진다. 이로 인해 전기차용 모터로는 제한적인 활용성을 가진다.

 

예를 들어, BMW에서 WRSM을 활용하고 있다. 물론 위에서 설명한 대로 이론 자체는 좋다. 영구자석이 필요 없고 약계자 제어가 필요 없는 SM이라는 프라이즈지만, 뒤에서 설명한 문제를 해결하기 위해 슬립링과 브러시가 필수로 들어가며 추가 전원이 필요하게 된다. 또한 브러시로 인한 분진 문제와 추가적인 발열 문제가 따른다. 개인적인 생각으로는 일반적으로 말하는 제어 기술을 상용화하는 것이 훨씬 더 쉽다는 것이 필자의 생각이다.

 

또한 동일 출력을 내기 위해 더 큰 크기가 필수적이며, 주기적인 소모품 교체라는 점에서 전기차용 모터로는 오래전부터 추천되지 않는 전동기였다.

 

물론 WRSM도 단점만 있는 것은 아니다. 소위 말하는 희토류부터 환경 문제에서 비교적 자유롭다는 장점이 있다. 하지만 최근 지표를 보면 영구자석 저감화와 최소화가 거의 끝난 시점에서 이 점은 유의미하지 않을 수 있다.

 

사실 약계자 제어가 필요 없다는 점이 장점이긴 하다. 이러한 제어로 들어가는 프로세스나 난이도가 무시할 수 없는 수준이니 말이다. 정말 발전된 기술이라면 유의미하겠지만, 많은 업체들이 영구자석형을 다루는 데는 이유가 있을 것이다.

 

WRSM은 궁극적으로 효율성과 환경적 장점 측면에서 발전 가능성이 있는 전동기이다. 하지만 현시점에서는 전기차 모터로서의 적용은 아직 기술적 한계가 많고, 일반적인 상용화에는 제약이 따른다. 그러나 이러한 기술이 계속해서 발전한다면, WRSM이 전기차 모터의 최종적인 목표가 될 가능성은 충분히 있다.

 

WRSM의 최근 연구에서는 브러시 및 슬립링의 유지보수를 줄이기 위한 새로운 기술이 도입되고 있다. 이를 통해 WRSM의 단점을 개선하고, 실용성을 높이려는 노력이 진행 중이다. 이러한 기술들이 완성된다면 WRSM이 전기차 모터 시장의 지배자는 될수 있겠지만 아직은 이르다.

 

 

전기차 모터 WRSM 분석 (Wound Rotor Synchronous Motor) [이론과 특징, 장단점]