전기차 영구자석 동기 모터(PMSM)의 손실 유형

 

전기차에서 사용되는 영구자석 동기 모터(PMSM)는 고효율과 높은 토크 특성을 지니고 있어 널리 사용된다.

 

그러나 PM을 사용하고 에너지를 변환하는 만큼 다양한 손실 요인이 존재하고 이를 계산해야 세부적으로 얼마만큼의 방열 및 냉각 대책 수립하는 것이 가능해진다. 세부적으로 다루기 전 PMSM에서 발생하는 주요 손실 유형을 물리적 수식과 함께 살펴보자

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1. 구리 손실 (Copper Losses)

구리 손실은 모터 권선의 저항에 의해 발생하는 전력 손실로, 모터를 통해 전류가 흐르면서 발생하는 열 손실이다. 일반적인 전류의 제곱을 활용해서 계산하는것이 기본이며 이는 저항으로 인한 W 즉 소모전력을 구하는 통칭이라 말해도 어렵지 않을 것이다. 

 

여기서 I는 전류, R은 권선의 저항으로, 결국 모터의 출력이 강할수록 이에따른 구리 손실과 비례 관계임을 기억하자

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2. 철 손실 (Iron Losses)

철 손실은 PMSM의 자속 변동에 따라 철심에서 발생하는 손실이다. 이 손실은 히스테리시스 손실과 와류 손실로 구분할수 있으며 히스테리 손실이 기본 재료로 인한 손실이라면 와류손실은 우리가 제어할 수 있는 범주의 손실로 이를 해결하기 위해 분할스큐등의 방식이 연구되고 있다.

히스테리시스 손실 (Hysteresis Loss)

 

f는 주파수, Bmax​는 최대 자속 밀도, n은 자성 재료에 따라 결정되는 상수다.

 

히스테리시스 손실은 자성체가 자화 되고 탈자화 되는 과정에서 발생하며, 주파수에 비례해 증가하므로 결국 재료별 히스테리시스 사이클 루프를 확인해야만 하며 자세한 사항을 아래를 참고 바란다.

 

전기차모터 자성재료[히스테리시스 곡선(Hysteresis Curve)]

 

 

와류 손실 (Eddy Current Loss)

 

와류 손실은 자속의 변화로 인해 철심 내에 유도되는 전류에 의해 발생하며, 주파수와 자속 밀도의 제곱에 비례한다

이러한 철 손실을 줄이기 위해 철심을 얇게 적층 하거나, 저손실 자성 재료를 사용하기도 하며 무방향성 철판을 사용하는 가장 큰 이유로 이해하면 된다.

 

전기차 모터의 적층 길이와 효율의 관계

 

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3. 기계적 손실 (Mechanical Losses)

위에서 이야기한 부분이 전기적 파트였다면, 기계적 손실은 모터의 회전 중에 발생하는 마찰이나 공기 저항에 의한 손실을 포함한다. 이는 크게 마찰손과 풍선으로 이를 저감 하기 위해 베어링을 사용함을 기억하자

 

마찰 손은 베어링 등의 마찰로 인해 발생하며, 회전 속도에 따라 증가

풍손 (Windage Loss)은 고속 회전 시 발생하는 공기 저항에 의한 손실로, 회전수에 비례해 증가

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4. 표류부하손 (Stray Load Losses)

표류부하손은 명확한 손실 경로가 아닌 여러 요인이 결합되어 발생하는 손실이다, 구리 손실이나 철 손실 외에 모터의 부하 및 전류의 불균일성 등으로 인한 손실로,  부하 상태에 따라 달라질 수 있으며, 수식화가 어렵지만 전체 손실에 미치는 영향이 작지 않으므로 효율 분석에 포함되는 경우가 대다수다 사실 세부 적으로 정리하면

 

비선형 히스테리시스손실, 표피효과, 서지전류, 자석온도상승으로 인한 불균형, 자속누설, 절연 손까지 정말 많은 변수가 존재하고 그러한 세부적인 파트에서 어디까지 분석할 거냐에 따라 포함되고 빠진다의 영역으로 이해하자