전기차용 구동모터 IPMSM에 대한 분석

IPMSM 이란?

왜 전기자동차는 주로 IPMSM 모터를 사용할까?

위 글에서 전기자동차는 주로 IPMSM (Interior Permanent Magnet  Synchronous Motor) 즉 내부에 자석이 삽입된 모터를 사용 된다는것을 설명한 적이있다. 다만 그때는 가볍게 다루고 너머간 부분을 좀더 자세히 다루어 보도록하자

전글의 주장은 SPMSM (Surface mounted PMSM)의 한계가 존재하고 특히 고속회전시의 자석이 밖으로 튀어져 나가려는 비산 현상을 저감하기위해 안에 자석을 삽입한 IPMSM으로 발전되었다라는 글이 주된요지었고 

 

 IPMSM의 단점이 단순 PM이 Rotor Core 내부에 매립되어 고속 회전에도 PM의 비산을 막을 수 있을 뿐아니라, 부가적으로 릴럭턴스(Reluctance) 토크를  얻을 수 있어서 출력 밀도와 효율이 높다 라는 특징에대해 좀더 자세하게 다루어 보고자 이번글을 작성하게 되었다.

 

사실 IPMSM 의경우 또한 설계가 다소 복잡하고, 코깅(cogging) 토크가 높은 편이라서 토크의 리플이 비교적 크다는 단점또한 존재하고 특히, 전자기적으로 좋은 특성을 얻기 위해 Flux Barrier를 최대한 얇게 설계해야 하지만 고속 회전시 이 부분이 구조적으로 원심력을 견뎌야 하므로 적당한 두께를 확보해야 한다는 과제가 있어설계와 제작이 쉽지 않다. 하지만 그러한 단점들을 다 차처하고더라도 더강력한 토크라는 압도적인 장점때문에 사용된다는 특성은 이해 하고만 넘어가자

 

GM의 IPMSM 모터

 

2. Reluctance 토크의 개념

IPMSM이 Reluctance 토크를 이용함으로써 높은 효율을 얻을 수 있다는 것이 아주 큰 장점이기 때문에 전기차용 구동 모터로 사용되어지는 추세라는건 전기차에 대하여 조금만 공부해 봐도 인터넷에 널려있다 그렇다면 과연 Reluctance 토크가 무엇인지 이야기해 보자

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주된정의는  스테이터가 철극을 끌어당겨 발생하는 토크를 릴럭턴스 토크라고 칭하지만 이렇게 말하면 너무 어렵지 않은가?

 

사실 모테에서 나름대로 깊이있는 내용이고 코깅과 릴럭턴스 토크에대한 이해와 모터의 토크 발생원리를 이해해야 하며 DQ 트렌스폼 까지 이해야 한다는 대전제가 깔려있지만 이런 복잡한 수식적인 파트들은 조금 아래쪽에 서 다루기로 하고 

 

 

3.회전자계

먼저 우리가 효율적으로 SM을 돌리기 위해 사용하는 회전자계(Rotating Magnetic Field)에 대해 이해해보자

 

아래그림처럼 안정적으로 전류를 송전하고 기전력의 파형을 만들어 이를 모터에 적용 시켰을 때 위상각 차이를 통해 회전을 할수있게 만드는 생각보다 단순한 개념이다.

 

4.PMSM 모터에서의 회전자계 활용

[출처] 소장 H An

 

 위 그림과 같이 2극 PMSM의 PM을 단순화시켜 생각해보면  수평으로 위치한 상태에 동일한 전류기준으로 가장 높은 토크를 얻기 위해 회전자계가 PM과 90도가 되도록 (부하각, Load Angle) 고정자(Stator) 권선(Winding)에 전류를 공급해야 한다.

 

결론적으로 모터내에서 최대로 토크를 뽑아내야 하기에 우리는 부하각을 90도로 유지하면서 3상전류를 제어해야한다 이를 좀더 직관적으로 아래그림에서 살펴본다면

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PM의 위치에 따른 쇄교자속과 역기전력의 관계 [출처] 소장 H An

 

위 그림에서 빨간색으로 표시된 권선을 기준으로 PM이 반시계 방향으로 회전한다고 할 때 권선의 쇄교자속(Linkage Flux) λ 는 90도가 되었을 때 최대가 되고 결론적으로 이는 sin형태의 함수가 된다.

여기서 역기전력은 시간에따른 소교자속의 변화량이므로 코싸인의 형태가 나타게되고

전글에서 단위 전류당 최대 토크를 얻기 위해서는 역기전력과 전류의 위상을 같아야 한다는 특성까지 기억한다면

단위 전류당 최대토크를 얻기 위해서는 PM의 위치를 계속 검출하면서 부하각이 90도가 유지되도록 전류제어를 해야한다는 사실을 어렵지않게 추론할수있다. 그 각도를 전진각(Advanced Angle) θa 이라고 칭하여 많이 사용하는 ipmsm의 경우 부하각 90도 = 전진각 0도로 쉽게 추론가능할 것이다.

 

 

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PM에 발생하는 Magnetic 토크와 자성체에 발생하는 Reluctance 토크를 전진각에 따라서 정리해보면 아래 그래프와 같이 표현할 수 있다.

4.PMSM 모터에서의 릴럭턴스 토크

전진각에 따른 Magnetic 토크와 Reluctance 토크의 관계 [출처] 소장 H An

 

IPMSM의 Rotor에서 PM을 제거하더라도 Rotor의 Iron Core는 돌극형태이기 때문에 Reluctance 토크를 얻을 수 있으며 좀더 단순하게 생각한다면 유도기를 떠올려보자 사실 IPMSM이 새로운 개념이라기보다는 좀더 효율적으로 출력을 뽑아내기위해 유도기안에 자석을 넣었다 라는 생각에서 출발한다면 생각보다 단순한 아이디어다.(사실 거기서 제거한다면 SynRM이라고 불리며 IM과는 조금 다르지만 설명을 위해 간략하게 넘어간점 이해를 바라겠다.)

  

5.결론

 릴럭턴스 토크는 스테이터가 철극을 끌어당겨 발생하는 토크라는 개념에서 사실 생각해보면 이상하다는 생각 도들꺼다 아니 그래도 자석이 안으로 들어가는데 실제로 토크가 감소하느거아니야? 맞다 아래그림에서 확인해본다면.

실제로 전진각을 제어하고 -영역이 나타나 실제로는 출력이 감소하는 경향성을 확인할수있다,

 

전진각 제어에 따른 Magnetic Power 의 감소 [출처]  소장 H An

 

하지만 릴럭턴스토크라는 추가적 인힘을 얻게되므로 순토크는 오히려 증가한다는 특성을 확일할수있고 IPMSM에서 전진각은 일반적으로 0도 ~ 45도 이내에서 설정하고 있다. 다만 이러한 특성들은 전류에따라 달라지기 때문에 실제로 출력에따라 맞춤으로 인버터제어가 따라와야 하고 모터를 설계함에있어 고려해야하는 아주중요한 파라미터다.

이개념을 활용하여 약계자 제어라는 개념또한 등장하며 이를 N-T커브에 적용에 차량의 최적 운전점을 찾는 미친 노가다의 반복이 시작되는것이다.