전기차 모터 운전시의 토크리플

전기차 모터의 토크리플 종류[마그네틱토크, 릴럭턴스토크,토크리플]

 

이전글에서 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크에 대해 말하였다.

 

사실 전기차 모터의 경우 영구자석 전동기를 쓰는 것이 정형화되어 있고 이중 가장 많이 고려되는 것이 코깅토크이다.

여기서 말하는 코깅토크란 회전자 영구자석과 고정차 철심 사이에 상호작용에 의해 발생하는 토크로

 

이러한 코깅토크에 의한 토크리플을 없애기 위해  고정자 철심이 없는 슬롯리스의 형태가 대두되기도 하였다.

 

이는 과거의 이야기지만 실제로 이러한 모터를 시물레이션 해보면 상당히 출력 파형이 예쁘긴하다.

 

하지만 높은 토크밀도를 가지고 릴럭턴스 토크를 활용할 수 있는 ipmsm이 대세가 됨에 따라 토크리플 보다 출력의 효율성을 압도적으로 따지게 되었다.

 

전원 인가에 따른 토크리플

 위에 이야기는 상시의 이야기고 우리가 실제로 전원을 인가 즉 교류가 인가된다면 어떠한 토크리플이 발생할까?

 

전기자동차 모터의 전압 방정식 [역기전력, 약자속 제어]

 

우선은 역기전력에 대해서 이야기해야 하는데 우리가 모터의 인입전력은 보통 역기전력과 입력전류의 곱을 활용해 

전기적인 입력을 계산한다는 이야기를 한 적이 있다.

 

그렇다면 일정한 전기적 에너지의 인입에 생긴다면 토크리플이 안 생겨야 하는 거 아닐까? 라는의 문이 자연스레 따온다.

 

이 논의를 하기 전에 우리가 원하는 것은 일정한 속도로 회전하는 모터로 결국 시간과 무관하게 일정한 회전을 목적으로 한다는 것에서 이야기를 진행해 보자

 

이전에도 이야기했지만 모터를 회전시키기 위해 우리는 회전자계를 이용하고  시간에 무관하게 일정한 정현파와 구형파 중 하나를 선택하여 출력을 얻는다.

 

위의 그림은 구형파로 사실 이상적으로 놓고 보았을 때는 우리는 이러한 방식으로 완전히 휙휙 바뀌는 방식으로 전류를 인입해 효율적으로 모터를 제어하면 좋아이긴 한다.

 

하지만 권선에 인덕턴스 즉 자기 저항이 존재하고 프린징효과(자구안에 자화가 한 번에 안 바뀜 정도로 이해하자)에 의해 우리는 원하는 구형파 전략을 사용할 수 없다.

 

 

결국 우리는 전력전자 공학을 활용한 인버터를 통해 정현파를 사용하여 최대한 서로를 보상하여 이러한 모터를 운전하게 되고 이러한 모터를 활용하기 위해 아래의 수식을 기반으로  제어를 활용해 다상전동기에서는 확실하게 토크리플을 저감 할 수 있다.

 

 

 실제로 같은 모터를 3 상의 모터와 6 상의 모터로 시뮬레이션하게 된다면 토크리플이 압도적으로 줄어드는 것은 설계를 한번 해본다면 압도적으로 토크리플이 줄어드는 현상을 확인할 수 있다.

 

 물론 이러한 전략에도 단점이 있는데 실제 인버터를 활용해 정현파를 만들어낸다 해도 실제로 인버터에서 직류를 사인파로 전환할 때 발생하는 고조파와 또한 공간에 의한 고조파 성분이 존재하는데 이는 다음글에서 자세하게 봐보도록 하자