전기차 모터의 전기적에너지 기계적에너지 변환 [회전자계,평형다상전류,인버터]

우선적으로 모터에 대해 다루기 전 우리는 모터의 기본적인 회전원리에 대해 이야기한 적이 있다.

전기차모터의 기본원리[맥스웰 방정식과 전기모터의 상관관계]

 

 

단상모터의 경우 단순이 이러한 힘의방향으로 기전력을 발생시켜서 회전시계 속 회전하는 방향을 만들어낸다.

 

하지만 단상 즉 하나의 상으로 출력을 높이려고한다면 전류량이 높아 짐에 따라 절연, 발열의 문제가 자연스레 따라오고

 

 일정부분에서만 힘을 받으니 제대로 된 회전력을 만드는데 제한이 생기고 결국 이에 따라 NVH에서 문제가 발생한다.

 

사실 우리가 일반적으로 떠올리는 미니카 모터의 경우 이정도면 충분하지만 이것이 대형화되고 전류값이 커질수록 위문제는 끊임없이 따라온다.

 

그렇다면 이를 해결하기 위해 공학자들은 어떠한 해법을 찾아 냈을까?

 

여기서 공학자들은 회전자계라는 개념을 투입하는데 결국 여러 방향에서 힘을 줘서 균일한힘을 전달하는 것에 더해

 

단상에 비해 압도적으로 안정적인 기전력을 전달할 수 있으며 설계에도 자유도가 부여되었다.

 

이를 평형 다상전류를 통한 회전자계를 만들었다라고 표현하는데, 평형다상전압과 평형부하를 활용해  효율적으로 힘을 전달했다.

 

평형다상에 대해 조금 더 이해하자면 일반적으로 교류는 크기와 주파수를 가지고 그에 따른 위상을 가지는데

 

이를 위상만 차이를 둬서 이를 3개로 전달하면 3 상교류가 되어 송 전에도 쓰이고

 

좀 더 많은 위상을 활용해 모터에도 쓰이고 있다는 점에서 이야기를 출발하자

 

 

일반적으로 많이 쓰이는 3 상전류의 예시를 가져와 이야기를 시작해 보자

 

여기서 전류를 인가하여 준다면 꽤나 재밌는 현상이 발생하는데 자속축이 120도의 위상차를 가지도록 물리적으로 배치하고 위상차이를 둔 전류를 3개에 나눠서 인가한다면 회전자계라는 것이 발생한다.

 

이렇게 된다면 공극상(빈부분)에서는 일정한 자계가 정현파 형태의 자계가 나타나게 되고 

 

이를 3개로 합치개 되면 아래와 같은 형상의 힘을 받게 된다.

 

 

이러한 논리로 미루어보아 결국 힘을 전달하는 데 있어 시간에 따라 변화하는 자기장이 모터에 힘을 전달한다

 

이러한 특성을 어렵지 않게 추론할 수 있고 결국 속력은 교류에 주파수에 종속되다는 개념에서 우리가 일반적으로 전기기기 시간에 배웠던 아래와 같은 수식이 만들어진다

 

여기서 P는 극수 F는 주파수이고 120이 들어가는 이유는 극은 2개로 이루어져 있고 분당화 전수 기준이니 60X2=120에서 논리가 출발해 아래와 같은 수식을 어렵지 않게 만들 수 있다.

 

 

이러한 것들은  주로 동기 기와 유도기에 주로 사용되는데 과거 테슬라의 경우 유도전동기를 사용했다.

 

이러한 것들을 통제하기 위해 인버터[직류를 교류로 변환시켜 주는 장치]를 활용하여 효율적인 방식으로 전기를 흘려주고 있고

 

지금은 거의 모든 차량이 동기전동기로 활용되고 있으니 결국 전기자동차의 모터의 회전속도를 이해하기 위해서는 필수적인 수식이라 이해할 수 있겠다.

 

전기차용 구동모터 IPMSM에 대한 분석

 

결국 모터를 회전하는 데 있어 전기를 흘려줘야 하고 동기기에 힘을 전달한다는 점에 대해서는 이해하였다.

 

그렇다면 이러한 동기속도에 비해 빠르게 회전하거나 느리게 회전하면 어떤 일이 벌어질까?

 

회전자가 더 많은 에너지를 가지게 된다면 결국 회생제동의 개념을 접근할 수 있다.

 

예를 들어 브레이크를 밟아 공급하는 전기에너지를 줄인다면 회전자가 더 많은 에너지를 가지게 되므로 결국 이를 통해 발전기로 활용해 회생재동의 접근을 할 수 있게 되는 것이다. 

 

결국 이러한 회전속도와 운전방식에 따라 회전자에 인버터는 맞춤으로 연구가 진행되고 있으며 PE시스템 전체가 연구되고 있다는 사실을 알고 넘어가자

 

전기자동차의 구동 및 제동시스템 회생제동 동력보조 분석