교류전동기
1. 개요
말 그대로 교류전원을 직접 받아 회전하는 전동기를 말한다. 구조에 따라 크게 유도전동기와 동기전동기로 나뉘며 동기전동기는 다시 영구자석 동기전동기와 비영구자석 동기전동기로 나뉜다.
대부분의 교류전동기는 정류자(브러시)가 없는 형태를 띄며, 그래서 일반적으로 브러시리스 모터라고도 한다. 이는 전동기에 인가 되는 교류 전원을 통해서 정류 기능을 대체하거나 구동 원리 상 정류자가 불필요한 요소이기 때문이다. 그래서 직류전동기와는 달리 전기자가 고정자로, 계자가 회전자로 가게 된다.
2. 유도 전동기와 동기 전동기
교류 전동기는 크게 유도 전동기와 동기 전동기로 나뉘는데 근본적인 토크 발생 원리는 둘 다 동일하나, 제어 방식과 특성에 차이가 있으며 이로 인한 장단점도 뚜렷하다.
2.1. 유도 전동기
유도 전동기의 고정자에 교류 전원을 투입하게 되면 고정자에 회전 자기장이 형성 된다. 이 자기장을 회전자가 받게 되면 이에 반응하여 기전력이 유도 되고 회전자에도 순환전류가 흐르게 된다. 이 전류로 회전자가 여자됨에 따라 자기력이 형성 되어 고정자의 자기장과 상호작용하여 토크가 발생한다. 좀 더 쉽게 설명하자면 전자기 유도로 회전자가 자화되면서 전자석이 되고 그렇게 고정자와 회전자가 자력으로 서로 밀고 당기면서 동기 전동기와 같은 원리로 토크가 나오긴 하는데 동기 전동기와는 달리 회전자의 극이 가만히 있지를 못하고 고정자 회전 자계를 따라서 덩달아 회전하고 있다고 이해하면 된다. 회전자는 여기에 쓸려서 힘을 받는 것이다.
유도 전동기는 비동기 전동기라고도 불리는데 이렇게 불리는 이유는 고정자의 회전 자계와 회전자의 속도가 항상 동기 되지 않기 때문이다. 유도 전동기의 회전자는 고정자 회전 자계보다 항상 느린 속도로 돈다. 만일 고정자 회전 자계와 회전자가 같은 속도로 돌면 상대 속도가 0이므로 회전자로 전류가 유도 되지 않아 토크는 0이며, 반대로 회전 자계보다 회전자가 빠르게 돌면 회전자 자속의 방향이 뒤집히면서 발전기가 된다. 단, 자속의 관점에서 볼 때에는 당연히 고정자 자계와 회전자 자계는 동기 되어 있다는 점을 잊지 말자. 프랑스의 물리학자인 아라고는 자석과 철 원판으로 상술한 토크 발생 원리를 입증하는 장치를 발명하였는데 이를 아라고의 원판이라고 한다. 이후에 니콜라 테슬라가 이 원리를 통해 유도 전동기를 현재의 모습으로 개량하였다.
[image]
참고로 유도 전동기의 구성은 변압기와 대단히 유사하다. 변압기처럼 2차 회로를 잡아놓는게 아니라 단락시켜놓고 자유롭게 회전할 수 있게 해놓았을 뿐이다.
2.1.1. 장점
- 구동하기가 쉽다.
유도 전동기는 별다른 기교 없이 고정된 주파수를 가지는 상용 전원을 그냥 직입하더라도 탈조 그런거 없이 어지간해서는 무난하게 회전력을 얻을 수 있는데 이는 값비싼 전용 모터 드라이브를 사용하지 않아도 되며 부하가 있는 상태에서의 기동이 수월하다는 큰 장점이 있다.
- 튼튼하고 안전성이 좋다.
유도 전동기의 회전자는 그냥 묵직한 쇳덩어리이거나 코일 덩어리일 뿐이다. 그래서 기계적 강도 확보와 제작성이 용이하고 전동기 운전을 급하게 중지시키더라도 영구자석 전동기와는 달리 회전자의 자화가 스스로 풀리므로 역기전력 걱정을 할 필요가 없어서 시험이나 운용 시의 안정성이 매우 좋은 편이다. 영구자석 전동기는 유도 전동기와는 달리 드라이브에 Fault가 나든 PWM을 정지시키든 역기전력이 그대로 타고 들어오므로 모터가 정지되기 전까지는 감전이나 누전 위험이 있고 자칫 DCLink Level을 넘기기라도 하면 모터드라이브가 파손 될 수도 있다.
- 가격이 저렴하다.
구동시 별도의 드라이브가 반드시 필요하지 않으며 드라이브를 쓰더라도 비교적 센서 의존도가 낮고 영구자석이 들어가지 않아 구조가 단순하고 제작이 쉽기 때문에 시스템의 가격이 매우 저렴해질 수 있다. 그냥 얇은 규소강판 잘라서 착착착 쌓아 압착하고 다람쥐통 모양으로 슬롯 판 다음, 슬롯에 구리 바 끼우고 축 끼우면 완성.
- 비교적 열에 강하다.
일반적인 유도 전동기 제작에는 고온에 취약하고 영구적인 성능 감소를 일으킬 수 있는 자석이 사용되지 않으므로 전기자의 코일만 버텨준다면 과열 문제가 적고 내구 온도가 높으며 과부하에 강하다.
- 대용량화 하기 쉽다.
단순한 구조와 우수한 전기적, 기계적 특성이 결합되어 대용량 전동기 제작 및 구동이 영구자석 전동기에 비해 수월하다. 여러가지 사용에 유용한 특성이 있어 전기 기관차, 전기자동차, 엘리베이터 등 많은 애플리케이션에 유도 전동기가 적용 되고 있다. 예를 들어 동기 전동기처럼 위상각을 까다롭게 맞출 필요가 없기 때문에 철도에서는 1개의 대형 인버터로 다수의 유도 전동기를 동시에 구동하는 구성이 꽤 흔하다. 물론 회전수까지 달라지는건 곤란하니 이는 기계적으로 적당히 맞춘다.
- 토크가 부드럽다.
유도 전동기는 동기 전동기와는 달리 회전 자계가 회전자를 계속 돌고 있기 때문에 고정자와 회전자의 형상으로 인한 코깅토크가 발생하지 않거나 영향이 매우 적다.
2.1.2. 단점
- 효율이 비교적 낮다.
구동 원리상 회전자에도 단락전류가 흐르는데 이 전류도 회전자의 저항과 철손의 영향을 받으므로 이로 인한 손실이 추가로 발생한다. 영구자석 전동기는 영구자석 자체가 자속원이기 때문에 회전자에 전류가 흐를 필요가 없고 따라서 회전자에서 발생하는 손실이 최소화 된다.
- 발열이 크다.
위에서도 언급했다시피 회전자에도 전류가 흐르고 이 전류로 인해 회전자에서도 열이 펄펄 난다. 이는 효율 저하뿐만 아니라 베어링의 수명을 감소시키는 요인으로 작용하여 전동기 수명을 깎아먹게 되는데 특히나 회전자는 말 그대로 회전하는 부분인지라 효과적인 냉각도 어렵다.
- 성능 곡선의 형태가 나쁘다.
유도 전동기는 저속에서 토크가 비교적 낮고 최대 속도 근처에서 최대 토크가 나오며, 해당 지점 뒤부터 속도가 올라갈수록 토크가 급강하하는 형태의 성능 곡선이 그려진다. 그러다보니 최대 출력 영역이 너무 좁고 고속 동작이 어려우며 막상 토크가 가장 필요할 초기 구동시에 최대 토크를 낼 수가 없다는 결점이 있다.
주의할 점이 하나 있는데 이 단점은 어디까지나 주파수가 고정 된 상용 전원일때의 이야기로, 이 문제점은 모터 드라이브의 제어로 거의 완벽하게 보완이 가능하다. 특히 전기자동차의 성능과 인터넷에 흔히 있는 유도 전동기 특성이 서로 상반되게 설명되어서 혼란을 빚는 경우가 많은데 그런 자료들은 전압과 주파수가 고정된 상용 전원 조건에서의 이야기고 전기자동차의 모터는 모터 드라이브의 제어를 받기 때문에 구동 조건부터가 다르다. 모터드라이브[1]를 붙이게 되면 유도 전동기도 직류 모터와 유사한 성능 곡선과 특성으로 운전할 수 있다.
주의할 점이 하나 있는데 이 단점은 어디까지나 주파수가 고정 된 상용 전원일때의 이야기로, 이 문제점은 모터 드라이브의 제어로 거의 완벽하게 보완이 가능하다. 특히 전기자동차의 성능과 인터넷에 흔히 있는 유도 전동기 특성이 서로 상반되게 설명되어서 혼란을 빚는 경우가 많은데 그런 자료들은 전압과 주파수가 고정된 상용 전원 조건에서의 이야기고 전기자동차의 모터는 모터 드라이브의 제어를 받기 때문에 구동 조건부터가 다르다. 모터드라이브[1]를 붙이게 되면 유도 전동기도 직류 모터와 유사한 성능 곡선과 특성으로 운전할 수 있다.
- 전자제어가 어렵다.
적당히 구동하는건 동기 전동기보다 쉬운데 막상 제대로 제어를 먹이려고 하면 꽤 번거롭다. 왜냐하면 동기 전동기는 비교적 상수로 고정되는 특성이 많아서 약계자 제어를 안한다면[2] 전기자 전류와 회전수만 신경쓰면 땡이지만 유도 전동기는 계자 자속부터가 전기자 전류, 회전수, 주파수 모두에 영향을 받기 때문이다. 특히 온도에 따른 특성 변화가 크고[3] 성능에 영향을 주는 변수가 동기 전동기에 비해 더 많기 때문에 특성을 예측하고 시험하기가 영구자석 전동기보다 좀 더 힘들다.
또한 회전자 단락전류는 기생 인덕턴스로 인해 고정자 전류보다 무조건 응답이 늦으므로 동기 전동기보다 응답속도가 훨씬 느리며, 고정자에 항상 교류 전류가 들어가야 하므로 위치제어 성능도 나쁘다. 예를 들어 한 위치에 전동기를 고정시켜놓으려면 가해지는 부하의 방향에 따라서 교류 전류의 방향을 계속 뒤집어야 한다.
또한 회전자 단락전류는 기생 인덕턴스로 인해 고정자 전류보다 무조건 응답이 늦으므로 동기 전동기보다 응답속도가 훨씬 느리며, 고정자에 항상 교류 전류가 들어가야 하므로 위치제어 성능도 나쁘다. 예를 들어 한 위치에 전동기를 고정시켜놓으려면 가해지는 부하의 방향에 따라서 교류 전류의 방향을 계속 뒤집어야 한다.
2.2. 동기 전동기
동기 전동기도 플레밍의 왼손 법칙으로 토크를 발생시키는데 유도 전동기와는 달리 동기 전동기의 계자는 여자된 코일이나 영구자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 큰 차이점이 있다. 이렇게 회전자에 박혀있는 영구자석이나 전자석을 직접 밀고 당겨서 토크를 내는 원리이므로 유도 전동기처럼 교류전원을 먼저 투입해서 회전자를 자화시키고 어쩌고 같은 삽질을 할 필요가 없으며, 회전자의 절대위치와 회전수에 맞춰서 교류전원이 투입되어야 제데로 성능을 낼 수 있다. 또한 반대로 고정자 회전자계의 회전속도에 맞춰서 회전자가 돌아가려는 성질을 가지기도 하므로 부하에 상관 없이 정속 회전이 필요한 시스템에 많이 사용되기도 하였다.[4]
회전자 자계를 발생시키는 원리에 따라 여러가지 동기 전동기가 있다. 일반적으로 계자자속원으로 영구자석이 대표적으로 많이 사용 되는데 영구자석 가격이 상승함에 따라 영구자석을 쓰지 않거나 비중을 줄인 비영구자석, 혹은 하이브리드 동기 전동기도 많이 쓰이고 있고 아예 회전자까지 코일로 된 동기 전동기도 있다. 어찌되었든 고정자 회전자계와 회전자가 동기 되어야 회전하는 전동기면 전부 동기 전동기다.
[image]3상 동기 전동기의 원리
2.2.1. 장점
- 높은 효율
동기 전동기는 권선계자형을 제외하면 계자자속을 유지하는데에 별도의 에너지가 들어가지 않으므로 계자 자속을 만들기 위해 추가적인 전력을 투입하지 않을 수 있어 손실 요인이 감소한다. 이 장점은 영구자석 전동기와 비영구자석 전동기 모두 포함되는데 일반적으로는 영구자석 쪽이 더 효율이 높다.
- 저소음
회전자에도 전류가 흘러야 하고 무조건 일정 이상의 교류전원이 들어가야 하는 유도 전동기와는 달리 동기 전동기는 그럴 필요가 없으므로 정숙성 확보가 약간 더 유리하다. 다만 대용량일 경우에는 둘 다 소음이 필연적으로 나게 되고 전기적 소음은 드라이브의 영향도 커서 차이가 미미하긴 하다.
- 높은 출력밀도
동기 전동기는 유도 전동기에 비해 발열이 더 적고 효율이 높아 동일 사이즈에서 고성능의 모터를 만들기가 용이하다. 즉, 출력밀도가 좋다.
- 정속 회전 가능
모든 교류 전동기는 회전수가 주파수에 비례하는 특성이 있지만 이건 부하가 없을 때의 이야기이기 때문에 실제로 상용 전원을 넣고 부하를 걸어보면 유도 전동기는 슬립이 커지면서 회전수가 점점 떨어진다. 반면에 동기 전동기는 상용 전원 조건에서 부하가 어느정도 실리더라도 회전수가 바뀌지 않으므로 초기기동만 잘 된다면 꽤 유용한 정속성을 얻을 수 있다. 그래서 상용 전원을 주로 쓰던 시절에는 정속 구동용 모터로 많이 사용 되었다. 대신 부하가 너무 커서 동기 전동기의 토크로 감당이 안되면 고정자 회전 자계와 회전자의 동기가 깨지면서 그냥 뚝 서버린다는 문제가 있다. 이를 탈조라고 하며 이 상태에 빠져버리면 일반적으로는 전동기 스스로 탈출하기는 어렵다.
- 위치제어에 용이한 특성
모터드라이브의 제어를 받는 동기 전동기는 회전자의 위치에 따라서 모터드라이브가 전류의 위상을 실시간으로 제어하는데 이 전류가 반드시 일정 주파수 이상의 교류일 필요가 없어서 정지 상태 유지 등의 위치제어 성능이 매우 좋고 응답성이 뛰어나다.
2.2.2. 단점
- 제작 단가 상승
일반적으로 동기 전동기는 유도 전동기보다 가격이 비싼데 영구자석 전동기야 희토류가 들어가는 시점에서 말해봐야 입만 아프고 비희토류 영구자석 전동기들도 자석 성능 개선 및 특이한 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가된다.
- 상용 전원 이용 곤란
직류 전동기는 계자 자속과 전기자 자속의 위상차를 기계적으로 맞춰주는 정류자와 브러시가 존재하지만 동기 전동기는 그러한 장치가 없기 때문에 교류 전원을 무작정 때려넣으면 동기각이 맞지 않아 정상적으로 회전하지 못하고 부들부들 떨기만 한다. 미약하게 토크가 생기긴 생기는데 회전자 관성과 부하를 이길 만큼이 되지 않으니 연속적인 회전으로 이어지지 못하기 때문이다. 때문에 상용 전원에서 사용하려면 전동기를 상용 전원 주파수에 맞게 먼저 회전시켜야 하는 등 이래저래 불편한 점이 많다. 비영구자석 동기 전동기의 경우, 회전자 설계를 적절히 하면 상용 전원도 쓸 수 있게 설계할 수는 있다.
- 높은 전자 의존도
위에서 설명했다시피 동기 전동기의 동기각을 맞춰주려면 외부에서 회전자의 위치를 실시간으로 고려하여 전기자 전원을 투입해야 한다. 이를 위해서는 그냥 가변전압 가변주파수를 생성할 뿐만 아니라 자속의 방향도 함께 고려하는 벡터제어 알고리즘을 구현하는 전용 인버터, 즉 전용 모터 드라이브를 사용해야 하며[5] 회전자의 위치를 실시간으로 읽을 수 있는 고가의 위치 센서가 전동기에 부착되어야 한다. 이 때문에 전체 시스템의 초기비용이 크게 상승한다.
최근에는 위치센서 없이도 인버터가 자체적으로 회전자의 위치를 추적하여 제어하는 센서리스 벡터제어가 상용화 되긴 했으나 아무래도 센서가 있을 때보다는 성능과 안정성이 떨어지므로 정속도만 필요한 저가 시스템이나 속도제어 성능에 매우 둔감한 시스템에서 쓰인다. 특히나 역기전력 검출이 어려운 영속도를 자주 드나드는 위치제어가 요구되거나 빠른 응답성이 필요한 서보제어와 로봇, 그리고 최상의 성능이 필요한 차량 같은 시스템에는 아무래도 센서리스 구성의 채용을 신중하게 하는 편이다.[6] 운용이 아예 안되는건 아니다. IPM 같은 경우는 회전자의 위치에 따라서 인덕턴스의 차이가 명확하게 나타난다는 점을 응용해서 모터 정지 상태에서도 위치검출이 되긴 되는데 어찌되었든 성능과는 트레이드오프 관계다.
전기기관차 같이 주변환경이 나쁜 대용량시스템에서 영구자석 전동기를 쓴다면 센서리스 운용을 하는 경우가 많다. 용량이 워낙 크다보니 물리적, 전기적으로 연약한 센서가 망가지기 쉽고 설령 작동하더라도 잡음으로 인한 리스크가 매우 클 뿐더러, 1초에 수백바퀴씩 휙휙 돌릴 것도 아니니 속도제어 성능이나 효율이 그다지 중요하지 않기 때문이다. 사실 센서가 제 기능을 잘 해주면 센서리스보다 당연히 성능과 안정성이 월등하지만 그렇지 못한다면 오히려 불필요하고 심각한 고장요인이 될 뿐더러 이중화 구성도 매우 성가시기 때문에 가급적 빼려는 경향이 크다. 다만 기술이 발전함에 따라 대용량 시스템에도 엔코더가 붙는 경우가 늘고 있다.[7]
최근에는 위치센서 없이도 인버터가 자체적으로 회전자의 위치를 추적하여 제어하는 센서리스 벡터제어가 상용화 되긴 했으나 아무래도 센서가 있을 때보다는 성능과 안정성이 떨어지므로 정속도만 필요한 저가 시스템이나 속도제어 성능에 매우 둔감한 시스템에서 쓰인다. 특히나 역기전력 검출이 어려운 영속도를 자주 드나드는 위치제어가 요구되거나 빠른 응답성이 필요한 서보제어와 로봇, 그리고 최상의 성능이 필요한 차량 같은 시스템에는 아무래도 센서리스 구성의 채용을 신중하게 하는 편이다.[6] 운용이 아예 안되는건 아니다. IPM 같은 경우는 회전자의 위치에 따라서 인덕턴스의 차이가 명확하게 나타난다는 점을 응용해서 모터 정지 상태에서도 위치검출이 되긴 되는데 어찌되었든 성능과는 트레이드오프 관계다.
전기기관차 같이 주변환경이 나쁜 대용량시스템에서 영구자석 전동기를 쓴다면 센서리스 운용을 하는 경우가 많다. 용량이 워낙 크다보니 물리적, 전기적으로 연약한 센서가 망가지기 쉽고 설령 작동하더라도 잡음으로 인한 리스크가 매우 클 뿐더러, 1초에 수백바퀴씩 휙휙 돌릴 것도 아니니 속도제어 성능이나 효율이 그다지 중요하지 않기 때문이다. 사실 센서가 제 기능을 잘 해주면 센서리스보다 당연히 성능과 안정성이 월등하지만 그렇지 못한다면 오히려 불필요하고 심각한 고장요인이 될 뿐더러 이중화 구성도 매우 성가시기 때문에 가급적 빼려는 경향이 크다. 다만 기술이 발전함에 따라 대용량 시스템에도 엔코더가 붙는 경우가 늘고 있다.[7]
3. 교류전동기 관련 용어
3.1. 브러시(Brushed) 전동기
위에도 서술했다시피 일반적인 교류 전동기는 브러시가 없는 경우가 대다수이지만 있는 경우도 있다. 권선형 유도전동기나 계자권선형 동기전동기가 그 예인데 둘 다 계자 자속의 제어가 필요한 경우이다. 브러시 전동기라는 명칭은 말 그대로 브러시만 붙었으면 교류 전동기건 직류 전동기건 붙을 수 있다.
- 권선형 유도 전동기
회전 원리는 농형 유도 전동기와 같으나 회전자를 권선으로 구성하고 2차 권선에 브러시를 붙인 뒤 저항을 연결하여 회전자의 저항을 조절할 수 있게 만들어진 전동기이다. 저항의 크기를 조절하여 2차 권선 전류를 제어할 수 있으므로 모터의 특성을 가변할 수 있다는 특징이 있어서 전류와 토크를 어느정도 제어할 수 있다는 장점이 있지만 회전자가 권선인데다 저항까지 붙으므로 효율이 낮으며 슬립링과 브러시 때문에 수명이 짧다. 그나마 있는 장점이 성능을 제어할 수 있다는 점인데 전자제어가 상용화 되면서 더더욱 쓸모 없어졌다.
- 계자권선형 동기 전동기
회전자에 자석 대신 권선을 감아서 그 권선에 슬립링을 통해 전류를 흘려 계자 자속을 제어할 수 있는 동기 전동기이다. 영구자석이 없으므로 가격이 싼데다 영구자석이 온도에 민감하다는 문제점을 피할 수 있어 고온 운용도 어느정도 가능하고 계자 자속 제어가 용이하므로 소형 고토크 전동기 제작도 비교적 용이하다. 그러나 슬립링 때문에 직류 전동기와 같은 수명 문제가 있고 계자를 여자시켜줄 추가 전원이 필요하다. 최근엔 비영구자석 동기 전동기의 발달로 용도가 애매해졌다.
- 직교류 겸용 전동기
직류와 교류를 모두 직입해도 작동할 수 있는 전동기다. 일반적인 직류전동기와 구조가 거의 유사하고 실제로도 직류를 투입했을 때에는 직권 직류전동기와 동일하게 작동하지만 교류를 투입하더라도 계자 코일과 전기자 코일의 극성이 서로 착착 맞물리게끔 설계 되어 있어서 교류전원으로도 회전이 가능하고 회전수가 주파수를 따라가지 않는다. 때문에 교류 전원을 받으면서도 직류전동기처럼 굴릴 수 있어서 믹서기, 청소기, 드릴 등등 가정집에서 RPM이 높고 가벼워야 하는 기기에 많이 들어간다. 단점으로는 회전방향을 바꿀 수가 없고 브러쉬와 정류자로 인해 직권 직류전동기의 모든 단점을 다 갖게 되며, 구조적으로 동일한 성능의 직류전동기에 비해서 크기, 성능, 효율, 수명이 모두 떨어진다.
3.2. 브러시리스(Brushless) 전동기
브러시리스 전동기들은 브러시 전동기와는 반대로 말 그대로 브러시가 없는 전동기를 전부 통칭한다. 때문에 전통적인 정의를 따른다면 거의 대부분의 교류 전동기들은 전부 브러시리스 전동기다. 2010년 이후로 소형 영구자석 전동기가 RC나 드론 등에 많이 사용되면서 고유명사화가 된 경향이 있는데 정확한 표현은 아니다.
구조적인 이유로 브러시를 쓰는 AC 모터는 있지만 브러시가 없는 DC 모터는 엄밀하게는 없다. 직류 전원을 받는데 브러시도 없으면 극성을 스위칭할 방법이 없기 때문이다. 이런 유형의 전동기들은 BLDC라고 하며 외부 회로의 도움을 받아야만 제대로 회전한다.
이러한 내용은 항목 참조. 해당 문서는 BLDC나 브러시리스 모터 등의 용어들을 정확하게 사용하고 있지 않고 있음을 유의해야 한다.
3.3. BLDC(Brushless DC) 전동기
BLDC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 사다리꼴로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파로 순시적으로 변하는게 아니라 사각형에 가깝게 나오기 때문에 모터드라이브도 이런 파형 모양에 맞춰서 전압을 출력해줘야 제데로 제어할 수 있다. BLDC 전동기의 제어는 교류를 넣어준다기보다는 DC 전류를 계속 상 순서를 맞춰 극을 바꿔가면서 넣어주는 개념에 가깝기 때문에 모터드라이브를 매우 간단하게 만들 수 있어서 소용량 위주의 수요를 가진다. 회전자가 상과 상 사이를 지난 후에는 파형이 직선으로 나가기에 각 상의 위치만 그때그때 알아내면 되므로 센서리스 구성도 매우 쉽고 회전자 위치도 정밀하게 알 필요가 없다.
대신 BLDC 전동기는 역기전력 상이 급격하게 바뀌므로 이 지점의 전류제어가 불안정해지는 특성이 있어서 이 지점에서의 코깅토크가 크게 발생하고 소음이 크며, 전기 잡음도 많이 만든다. 때문에 대용량 시스템에서는 적합하지 않다.
BLDC라는 용어도 브러쉬리스와 마찬가지로 RC 및 드론에 많이 사용 되면서 그냥 영구자석이 들어가는 아무 모터나 BLDC 모터라고 부르는 경향이 크다. 그래서 소용량 전동기 중에는 그냥 역기전력 형상을 AC로 뽑아놓고 BLDC라고 파는 업체도 흔하다. 이렇게 작은 모터들은 전류파형이 불안정하다 한들 그냥 씹고 돌려도 큰 문제가 없기 때문이다.
우리가 흔히 쓰는 쿨러들에 이런 저렴한 BLDC 전동기들이 들어간다. 저용량 BLDC 모터이기 때문에 이를 제어하는 제어소자도 새끼손톱만하고 기판도 무척 작게 만들 수 있음을 알 수 있다.
3.4. BLAC(Brushless AC) 전동기
BLAC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 정현파로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파 모양으로 나가기 때문에 모터드라이브도 이런 파형을 만들어서 출력해줘야 제데로 제어할 수 있다. 온전한 교류 전동기라고 할 수 있지만 이 정현파 모양을 회전자 위치에 따라서 실시간으로 뽑아줘야 하기 때문에 위치센서의 역할이 상당히 막중하며, 그만큼 모터드라이브 구성도 복잡할 뿐더러 고속으로 삼각함수 계산을 해야 하므로 DSP가 거의 반필수로 들어간다.
BLDC와 반대로 BLAC 전동기는 역기전력 상이 부드럽게 바뀌므로 전류제어 성능이 언제나 일정하고 코깅이 적으며[8] 전기적 충격이 거의 없어 대체로 고성능, 고용량 전동기들은 BLAC로 제작된다.
4. 교류전동기의 종류
4.1. 유도(비동기) 전동기
- 농형 유도 전동기
4.2. 동기 전동기
4.2.1. 영구자석 동기 전동기(PMSM)
영구자석 동기 전동기(PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor의 약자)는 계자 자속원으로 영구자석을 이용하는 전동기다. 영구자석으로는 페라이트, 네오디뮴 등을 이용하며 영구자석의 성능에 의해 전동기의 내열성과 성능이 갈리는 경향이 크다.
영구자석 동기 전동기도 위에서 언급한 동기 전동기 자체의 장단점을 가진다. 아래에 서술된 장단점은 영구자석 동기 전동기가 가지는 장단점을 추가로 서술 한 내용이다.
4.2.1.1. 장점
- 우수한 성능 곡선과 뛰어난 제어성
동기 전동기의 동작 원리는 직류 전동기와 완전히 똑같기 때문에 성능 곡선도 비슷하게 그려진다. 일반적으로 최대 토크가 직선으로 쭉 뻗다가 최대출력점부터 토크가 내려오는 곡선을 가지거나 아예 0 RPM부터 최고 RPM까지 일자로 그려지기도 한다.[9] 특히나 영구자석 동기 전동기들은 제어성이 뛰어난데 유도 전동기나 비영구자석 전동기들과는 달리 계자자속이 상수라서 전기자 전류와 토크가 선형으로 비례하는 환상적인 특성이 있어서 전류제어와 토크제어도 엄청나게 쉽고 특성을 시험하기도 수월하다. 때문에 불특정한 영구자석 전동기를 지원하는 범용 모터드라이브들도 흔하다. 자동 튜닝이 수월하기 때문이다.
- 약계자 제어 가능
약계자 제어[10]는 원래 직류모터의 운전영역을 확장하기 위해서 계자 전류를 감소시키는 것을 의미한다. 이렇게 되면 계자 자속이 감소함에 따라 토크상수가 저하되지만 역기전력도 감소하기 때문에 전압 여유가 생겨 더 높은 회전수 영역에서도 모터를 구동할 수 있게 되어 결과적으로 운전영역이 크게 확장되는 이점이 있다. 영구자석 동기 전동기는 고정자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리하고 이를 개별적으로 제어가 가능한 벡터제어 인버터를 적용함으로써 영구자석으로 인해 계자자속이 상수임에도 불구하고 직류모터와 동일한 개념으로 약계자 제어의 이득을 손쉽게 가져갈 수 있으며, 원래대로였으면 단자전압에 걸리고도 남을 회전수나, 아예 이론상 무한대의 회전수를 허용할 수도 있으며 확보 가능한 운전영역의 넓이도 가장 넓다. 반면에 유도 전동기는 구동 원리 상, 전기자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리할 수는 있어도 이를 직접 제어 할 수는 없어서 슬립 주파수를 통한 자속 제어를 해야 하며, 더 까다로운 연산이 필요하고 성능도 안좋다.
- 더더욱 높은 효율과 성능
영구자석 동기 전동기는 출력밀도와 효율이 가장 높은 유형의 전동기다. 설계에 특별한 문제가 없으면 대체로 효율 90%는 코웃음 치면서 넘어가고 50kW가 넘는 중대형 전동기들은 95% 이상도 찍을 수 있다.
4.2.1.2. 단점
- 내환경성 취약
영구자석은 열을 받게 되면 조금씩 자력이 저하되는데 이를 "가역감자"라고 한다. 다행히도 가역감자는 일정 수준까진 성능저하 폭이 크지 않고, 식으면 자력도 다시 돌아오므로 크게 문제가 되지 않는다. 그러나 자석이 너무 고온이나 저온에 노출되면 자력이 다시 복구 되지 않는 "불가역감자"[11]가 발생할 수 있으며, 이 경우에는 모터의 힘이 영구적으로 떨어지거나 토크를 내지 못하게 된다. 또한 약계자 제어 등의 이유로 자석에 외부 자기장이 너무 강하게 가해질 경우에도 마찬가지로 자석이 맛이 갈 우려가 있다. 중요한 포인트는 모터의 영구적인 성능변화가 발생한다는 점인데 이는 전자제어를 자주 받는 동기 전동기 특성상 바람직하지 않은 특징이다. 모터드라이브가 모터의 성능을 정확하게 예측할 수 없게 되므로 성능변동이 너무 심하면 아예 제어가 깨질 위험이 발생하기 때문이다. 또한 후술할 표면형 영구자석 전동기는 자석이 회전자 표면에 곡선으로 붙는데 이 접착제가 열화되면서 원심력을 버티지 못하거나 파손 될 위험도 있다.
- 제작 단가 상승 및 생산성 저하
애초에 영구자석 자체가 비싼 희토류이고, 설령 희토류가 아닌 값싼 소재로 만들어낸 자석이라 해도 자석의 성능 개선 등을 위한 특수처리를 굉장히 많이 해야 하기 때문에 단가가 팍팍 올라간다. 또한 영구자석의 상술된 특수처리비용 이외의 가공 역시 비용이 많이 들어가는데다가, 만들 수 있는 형태가 제한 되어 있고 깨지기도 쉽기 때문에 제작성이 나쁘다. 예를 들어, SPM은 원통형 회전자 표면에 자석이 붙어야 하기 때문에 자석 모양을 곡선으로 만들어야 하므로 가공비용이 비싸다. 대형 영구자석 전동기를 만들게 되면 그냥 유도전동기처럼 대충 가공해서 적층만 하면 끝이 아니라 회전자에 작은 자석 여러개를 붙이는 등의 특수한 작업이 필요하고 회전자와 고정자를 조립할 때에도 회전자에 붙은 영구자석의 자력이 고스란히 있으니 조립도 힘들어서 생산성이 매우 나쁘고 성능이 일관되게 나오기가 쉽지 않아서 양산성도 좋지 않다. 자석 자체의 성능이 일정하지 않은 경우가 꽤 있는데 이런 불량 자석은 걸러내기도 힘들고 수리도 힘들다.
- 제어 불가능한 전류의 위험성
영구자석 전동기는 다른 기계와는 다르게 외부에서 힘을 받아 돈다고 해도 특별한 대책 없이 사양 상의 최대 회전수 이상으로 회전이 예상되면 주의가 필요하다. 왜냐하면 영구자석의 자기력이 어디로 가는게 아니므로 코일에 전압이 유기 되면서 발전기가 되기 때문이다. 이를 역기전력이라고 하는데 이 역기전력의 크기가 회전수에 비례하기 때문에 회전수가 올라가면서 전원의 전압 이상으로 가버리는 등의 상황이 되면 사고가 발생할 우려가 있다. 특히 약계자 운전 중인 영구자석 전동기 시스템에서 오류가 났거나 위치센서가 맛이 가면 인버터 파손 등의 문제가 쉽게 발생할 수 있어 주의가 필요하다.
- 더 높은 전자 의존도
특히 영구자석 계열 전동기들은 전자제어가 없이는 절대로 전동기의 성능을 100% 끌어낼 수 없다. 약계자 제어나 비싼 값만큼 높은 성능이 요구되는 경우가 많기 때문인데 이런 성능을 달성하기 위해서는 필수적으로 모터드라이브가 요구된다.
4.2.1.3. 종류
영구자석 동기 전동기들은 자석의 형태와 착자 방향, 배치를 적절히 선정하여 특성을 최적화하고 깨끗한 정현파 AC 모터를 제작하기가 매우 수월하다. 자석이 회전자에 어떻게 배치되느냐에 따라 표면형과 매입형으로 나뉜다.
- 표면형 영구자석 동기 전동기
줄여서 SPM이라고도 한다. 회전자 표면에 자석이 부착된 형태의 전동기이다. SPM은 효율이 매우 높고 특성도 뛰어나 제어성이 우수하지만 회전자 표면에 영구자석을 직접 부착해야 하기 때문에 접착제와 테이프를 둘둘 감아놓는 식으로 제작되는 경우가 많은지라 내환경성이 나쁘고 고RPM으로 제작하기가 약간 불리하다.[12] 그래서 확실한 내구력이 필요하면 아예 통째로 몰딩을 해버리기도 한다. 또한 회전자의 표면에 맞춰서 자석을 곡선으로 가공해야 한다는 불편함도 있다.
- 매입형 영구자석 동기 전동기
줄여서 IPM이라고도 한다. SPM과 유사하지만 회전자 내부로 자석이 매입되는 형태의 전동기이다. 표면에 붙일 필요가 없으므로 자석의 형태와 배치가 상대적으로 자유롭고 회전자 내구력이 더 뛰어나며 SPM보다도 더 높은 출력밀도를 획득할 수 있다. 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 자기저항에 의한 릴럭턴스 토크를 모두 활용할 수 있으므로 영구자석 비영구자석 하이브리드 전동기라고 할 수 있다. 다만 이 때문에 전류 토크 곡선이 비선형이 되어 계산이 까다로워지고 상대적으로 모터 상수의 변화에 취약해지며 SPM에 비해 제어성이 나빠진다는 단점이 있다.[13]
특히 돌극비가 큰 IPM은 전압이 남아 돌더라도 약계자 제어를 하는 경우가 많다. 왜냐하면 약계자 제어를 해서 손해보는 마그네틱 토크보다 릴럭턴스 토크가 더 커서 약계자 제어를 해줘야 최대토크를 낼 수 있는 경우가 많기 때문인데 항상 그렇지만 약계자 제어 영역에 있는 모터만큼 까다로운게 없으므로 실험을 하기 전에는 당최 믿을 구석이 없는 모터가 되기 쉽다.
특히 돌극비가 큰 IPM은 전압이 남아 돌더라도 약계자 제어를 하는 경우가 많다. 왜냐하면 약계자 제어를 해서 손해보는 마그네틱 토크보다 릴럭턴스 토크가 더 커서 약계자 제어를 해줘야 최대토크를 낼 수 있는 경우가 많기 때문인데 항상 그렇지만 약계자 제어 영역에 있는 모터만큼 까다로운게 없으므로 실험을 하기 전에는 당최 믿을 구석이 없는 모터가 되기 쉽다.
4.2.2. 비영구자석 동기 전동기
동기전동기는 동기전동기인데 영구자석이 없는 동기 전동기다. 영구자석이 없으므로 희토류를 쓰지 않아 유도 전동기의 저렴하다는 장점을 가지면서도 제어성과 효율이 상대적으로 좋은 동기 전동기의 이점도 얻을 수 있다. 다만 자기저항 특성을 원하는 모양으로 깔끔하게 만들기도 어렵고 그나마도 온도, 전류, 주파수에 따라 특성 변화가 심하기 때문에 제어성이 무척 나쁘고 코깅토크가 매우 크며, 유도 전동기보다는 낫지만 영구자석 동기 전동기만큼의 성능과 효율을 가지지는 못한다. 이런 유형의 전동기들은 자석이 없는 대신 릴럭턴스 토크를 이용하며, 이에 따라 릴럭턴스 전동기라고도 부른다.
릴럭턴스 전동기는 자기저항이 작아지는 방향으로 자석들이 정렬 되는 원리를 이용한다. 예를 들어 원통형 쇳덩이에 자석을 아무리 들이대봐야 쇳덩이는 끌려오지 않는데 그 이유는 어디에 갖다 대도 자화의 정도가 같기 때문이다. 그러나 이 쇳덩이를 톱니바퀴처럼 깎아놓고 자석을 들이대보면 톱니가 튀어나온 부분으로만 자석이 끌려갈 것이다. 이는 톱니가 튀어나온 부분이 쇳덩이와 자석 사이의 최소거리가 되는 부위이기 때문이며, 이 부분이 바로 자기저항이 최소가 되는 부분이기 때문이다. 릴럭턴스 전동기는 회전자 형상을 위치에 따라서 자기저항이 크게 변동하는 구조로 만들게 하고 고정자의 자계 방향을 적절하게 맞춰서 자기저항이 큰 부분에서 작은 부분으로 회전자가 딸려가게끔 상대위치를 유지함으로써 토크를 발생시키게 된다.[14]
이런 이유로 대부분 릴럭턴스 전동기들은 별도의 전자제어를 받아야만 원활한 구동이 가능한 경우가 많다. 특히 회전방향을 바꾸기 위해서는 회전자계 방향을 뒤집기만 해서는 안되고 토크각도 뒤집어서 넣어줘야 하므로 고성능 제어를 위해서는 벡터제어와 위치센서가 필수적이다. 또한 계자자속이 전기자 전류를 따라가니 약계자 제어도 쉽고 역기전력의 한계를 받지 않아서 고속 전동기를 만들기도 좋다. 다만 릴럭턴스 전동기들은 기본적으로 역률도 안좋고 자기포화 문제로 고토크 전동기를 만들기 어려우며, 최대출력 특성이 너무 구려서 운전영역 전체를 활용하는 어플리케이션에 써먹기엔 고속토크가 많이 안좋다. 이를 보강하기 위해서 약간의 영구자석이 붙기도 한다.
- 동기 릴럭턴스 전동기
줄여서 SynRM이라고도 한다.[15] 회전자 자기저항 분포가 정현파로 나타나게끔 설계한 전동기이며, 따라서 정현파 교류를 투입해야 작동한다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLAC라고 생각하면 될 것이다. 설계에 따라서 유도 전동기처럼 직입기동이 가능하게 만들 수도 있으며, 이 경우에는 유도 전동기의 직입기동 특성과 동기 전동기의 정속도 특성을 모두 가질 수 있다. 그래서 과거 영사기에서 많이 사용 되었다.
정현파 전원 기반이기에 안정적이고 그나마 특성이 쓸만하게 나오는지라 고성능 릴럭턴스 전동기들은 대부분 동기식으로 제작 된다. 우리가 볼 수 있는 제품 중에는 전기자동차 중 테슬라 모델3의 견인전동기가 PMASynRM(영구자석보조 동기 릴럭턴스 전동기)로 되어 있다.
정현파 전원 기반이기에 안정적이고 그나마 특성이 쓸만하게 나오는지라 고성능 릴럭턴스 전동기들은 대부분 동기식으로 제작 된다. 우리가 볼 수 있는 제품 중에는 전기자동차 중 테슬라 모델3의 견인전동기가 PMASynRM(영구자석보조 동기 릴럭턴스 전동기)로 되어 있다.
- 스위치드 릴럭턴스 전동기
줄여서 SRM이라고 한다.[16] SynRM과 달리 회전자가 완전히 네모네모하게 돌극비를 가지도록 되어있으며 이 때문에 회전자 형상이 거의 톱니모양처럼 나타난다. 회전자 위치에 맞춰 직류 전원의 극을 교번해서 투입해야 하며, 직입기동 구성은 불가능하므로 모터드라이브가 반드시 필요하다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLDC라고 이해하면 될 것이다. 당연히 회전자 형상이 저러니 코깅토크도 무지막지하고 소음도 무지막지하다. 대신 그냥 돌려도 회전수가 올라감에 따라 약자속 효과가 손쉽게 나타나고 이 덕분에 영구자석이 없는 초고속 전동기를 저렴하고 튼튼하고 간단하게 써먹을 수 있다는 장점이 있어서 고성능 자동차에 들어가는 슈퍼차저 등이 SRM으로 제작 된다.
이 SRM에서 극수를 엄청나게 늘리고 직류 단락전류로 제어하면 스텝 모터가 된다. 스텝 모터도 영구자석을 안쓰고 릴럭턴스 토크만으로 스톨 토크를 만드므로 릴럭턴스 전동기의 일종이다.
이 SRM에서 극수를 엄청나게 늘리고 직류 단락전류로 제어하면 스텝 모터가 된다. 스텝 모터도 영구자석을 안쓰고 릴럭턴스 토크만으로 스톨 토크를 만드므로 릴럭턴스 전동기의 일종이다.
[1] 인버터의 일종이다. DC 전원을 AC 전원으로 바꾸는 그 회로 맞다. 모터 운용에 특화된 인버터를 모터드라이브라고 부른다.[2] 동기 전동기도 마찬가지로 온도에 따른 저항과 계자자속의 변화를 받기는 하는데 전기자의 특성변화는 전류제어가 가능한 범위 이내면 아무래도 상관없고 계자의 영구자석도 온도에 의한 성능저하가 생각보다는 작은 편이다. 그래서 극단적인 조건을 고려하지 않으면 그냥 상수로 박아버려도 별 탈이 없다.[3] 계자 특성을 일정하게 하기 어려워서 문제가 된다. 온도에 의해 회전자의 내부저항이 아주 다이나믹하게 영향을 받아서 이에 따라 회전자 단락전류의 변동이 심하기 때문이다.[4] 유도전동기는 슬립의 존재 때문에 부하가 실릴수록 회전수가 점점 떨어진다.[5] 그래서 유도 전동기처럼 인버터 하나에 여러대의 모터를 물릴 수가 없다. 각 모터의 회전자 자석이 어느 각도로 돌아가 있는지를 알고 그 자석의 위치에 맞춰서 교류 전원을 줘야 하기 때문이다.[6] 전동기 센서리스 제어는 근본적으로 전압을 인가 했을 때 전류 응답을 보면서 회전자의 위치를 추정하는 것이므로 전동기의 회전수가 엄청나게 높거나, 출력변화가 급격하면 탈조 위험이 있다. 센서리스 알고리즘이 한번이라도 회전자 위치를 놓치면 전류제어가 깨지는데다 추정이 느리거나 정확하지 않으면 동기 전동기는 토크 상수까지 영향을 받으므로 성능 관점에서는 좋지 않다.[7] 단, ABI 엔코더나 광학식 엔코더도 모터드라이브와 별도의 통신을 하거나 송신되는 펄스를 받아오는 식이므로 전자기적 고장이나 커넥터 열화 등, 언제나 오류가 발생할 가능성이 있어 어찌되었든 대형 시스템에서 센서에만 의존하는건 매우 위험한 일이다. 위치센서는 전자제어 전동기에서 가장 고장율이 높은 부속 중 하나이므로 일반적으로는 이런 고장을 예상하고 대비하게 된다.[8] 없지는 않다. 역기전력 파형을 100% 완벽하게 정현파로 만들 수는 없기 때문.[9] 이런 유형의 전동기들은 전기적 설계 상으로는 더 높은 RPM도 사용할 수는 있으나 방열이나 기계적 사양, 혹은 용도 상 일부러 해당 영역을 사용하지 않는 경우에 해당 된다.[10] 약자속 제어라고도 한다.[11] 이 불가역 감자현상이 벌어지는 지점의 온도가 바로 퀴리 온도이다.[12] 자석을 고정하기 위한 테이프와 접착제가 나쁜 환경조건에서 열화되면서 원심력을 이기지 못하고 자석이 이탈할 수 있고, 표면에 자석을 붙이는 작업의 결과물이 일정하기도 어려워서 제품마다 일관성 없는 편심이 생기기도 쉽다.[13] 자석의 성능은 변화가 거의 없어서 상수로 봐도 되는데 릴럭턴스 토크를 내기 위한 자기저항이 모터의 주파수와 전류에 따라 변화폭이 크다.[14] 더 쉽게 설명하자면 자석이 아닌 그냥 쇳덩어리 근처에 막대자석을 두면 막대자석의 반대 극으로 쇳덩어리도 자화가 되어서 막대자석과 쇳덩어리가 서로 붙는다는 것을 상식적으로 알 수 있을 것이다. 릴럭턴스 토크는 이 힘을 특정 방향으로 편향시킨 다음에 끌어당겨지는 상태를 계속 유지하면서 토크를 만드는 것이다.[15] Synchronous Reluctance Motor[16] Switched Reluctance Motor