영구 자석 동기 모터가 주력 구동 모터가 되는 이유는 무엇일까요?

영구 자석 동기 모터가 주력 구동 모터가 되는 이유는 무엇일까요?

전기 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 이 기계 에너지를 변속 시스템을 통해 바퀴에 전달하여 차량을 구동합니다. 이는 신에너지 자동차의 핵심 구동 시스템 중 하나입니다. 현재 신에너지 자동차에 주로 사용되는 구동 모터는 영구 자석 동기 모터와 교류 비동기 모터입니다. 대부분의 신에너지 자동차는 영구 자석 동기 모터를 사용하며, 대표적인 자동차 회사로는 BYD, Li-Auto 등이 있습니다. 일부 차량은 교류 비동기 모터를 사용하기도 하는데, 테슬라와 메르세데스-벤츠 같은 자동차 회사들이 대표적인 예입니다.

비동기 전동기는 주로 고정된 고정자와 회전하는 회전자로 구성됩니다. 고정자 권선에 교류 전원이 연결되면 회전자가 회전하여 전력을 출력합니다. 기본 원리는 고정자 권선에 여자(교류)가 걸리면 회전하는 전자기장이 생성되고, 회전자 권선은 고정자의 회전 자기장 내에서 고정자의 유도선을 지속적으로 끊는 폐쇄 도체라는 것입니다. 패러데이 법칙에 따라 폐쇄 도체가 유도선을 끊으면 전류가 발생하고, 이 전류는 전자기장을 생성합니다. 이때 두 개의 전자기장이 존재하는데, 하나는 외부 교류에 연결된 고정자 전자기장이고, 다른 하나는 고정자 유도선을 끊음으로써 생성된 회전자 전자기장입니다. 렌츠의 법칙에 따라 유도 전류는 항상 유도 전류의 원인에 저항하는데, 즉 회전자 권선이 고정자 회전 자기장의 유도선을 끊지 않도록 하려는 것입니다. 결과적으로 회전자(로터)의 도체는 고정자(스테이터)의 회전 전자기장을 따라잡게 됩니다. 즉, 회전자가 고정자의 회전 자기장을 추격하게 되고, 결국 모터가 회전하기 시작합니다. 이 과정에서 회전자(n2)의 회전 속도와 고정자(n1)의 회전 속도는 동기화되지 않습니다(속도 차이는 약 2~6%). 따라서 이러한 모터를 비동기 교류 모터라고 합니다. 반대로 회전 속도가 같으면 동기 모터라고 합니다.

영구 자석 동기 모터는 교류 모터의 한 종류입니다. 회전자는 영구 자석이 부착된 강철로 만들어집니다. 모터가 작동할 때, 고정자에 전류가 흐르면 회전 자기장이 생성되어 회전자를 회전시킵니다. "동기화"란 정상 상태 작동 중 회전자의 회전 속도가 자기장의 회전 속도와 동기화되는 것을 의미합니다. 영구 자석 동기 모터는 출력 대 중량비가 높고, 크기가 작고 무게가 가벼우며, 출력 토크가 크고, 한계 속도 및 제동 성능이 우수합니다. 따라서 영구 자석 동기 모터는 오늘날 전기 자동차에 가장 널리 사용되는 모터가 되었습니다. 그러나 영구 자석 재료는 진동, 고온 및 과부하 전류에 노출되면 자 투과율이 감소하거나 탈자될 수 있으며, 이는 영구 자석 모터의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 또한, 희토류 영구 자석 동기 모터는 희토류 재료를 사용하기 때문에 제조 비용이 불안정합니다.

영구 자석 동기 모터와 비교했을 때, 비동기 모터는 작동 시 여자(excitation)를 위해 전력을 흡수해야 하므로 전력 소모가 크고 모터 효율이 저하됩니다. 또한, 영구 자석 모터는 영구 자석이 추가되어 있기 때문에 가격이 더 비쌉니다.

교류 비동기 모터를 선택하는 모델은 성능을 우선시하고 고속 주행 시 교류 비동기 모터의 출력 및 효율 측면에서의 이점을 활용하는 경향이 있습니다. 대표적인 모델로는 초기형 모델 S가 있습니다. 주요 특징은 고속 주행 시 고속 운전을 유지하면서 전기 에너지를 효율적으로 사용하여 에너지 소비를 줄이면서 최대 출력을 유지할 수 있다는 점입니다.

영구 자석 동기 모터를 선택하는 모델은 에너지 소비를 우선시하고 저속에서 영구 자석 동기 모터의 출력과 효율적인 작동을 활용하여 소형 및 중형 자동차에 적합합니다. 이러한 모터는 크기가 작고 무게가 가벼우며 배터리 수명이 길다는 특징이 있습니다. 동시에 우수한 속도 제어 성능을 갖추고 있으며, 반복적인 시동, 정지, 가속 및 감속에도 높은 효율을 유지할 수 있습니다.

영구자석 동기 모터가 시장을 주도하고 있습니다. 첨단산업연구소(GGII)가 발표한 '신에너지 자동차 산업 사슬 월간 데이터베이스' 통계에 따르면, 2022년 1월부터 8월까지 국내 신에너지 자동차 구동 모터 설치 용량은 약 347만 8천 대로 전년 동기 대비 101% 증가했습니다. 그중 영구자석 동기 모터의 설치 용량은 332만 9천 대로 전년 동기 대비 106% 증가했으며, 교류 비동기 모터의 설치 용량은 129만 5천 대로 전년 동기 대비 22% 증가했습니다.

영구 자석 동기 모터는 순수 전기 승용차 시장에서 주요 구동 모터로 자리 잡았습니다.

국내외 주요 신에너지 자동차 모델에 탑재되는 모터를 살펴보면, 국내 SAIC자동차, 지리자동차, 광저우자동차, BAIC자동차, 덴자자동차 등에서 출시한 차량들은 모두 영구자석 동기 모터를 사용하고 있습니다. 중국에서 영구자석 동기 모터가 주로 사용되는 이유는 다음과 같습니다. 첫째, 영구자석 동기 모터는 저속 성능이 우수하고 변환 효율이 높아 도심 교통 상황에서 잦은 출발과 정지가 발생하는 복잡한 운행 환경에 매우 적합합니다. 둘째, 영구자석 동기 모터에 사용되는 네오디뮴 철 붕소(NdFeB) 영구자석은 희토류 자원을 필요로 하는데, 중국은 전 세계 희토류 자원의 70%를 보유하고 있으며, NdFeB 자성 재료 생산량 또한 세계 80%에 달하기 때문에 영구자석 동기 모터의 사용이 더욱 활발합니다.

해외 기업인 테슬라와 BMW는 영구자석 동기 모터와 교류 비동기 모터를 공동 개발하고 있습니다. 적용 구조 측면에서 볼 때, 영구자석 동기 모터는 신에너지 자동차의 주류 선택입니다.

영구 자석 동기 모터 비용에서 영구 자석 재료비가 약 30%를 차지합니다. 영구 자석 동기 모터 제조에 사용되는 주요 원자재는 네오디뮴 철 붕소, 규소강판, 구리 및 알루미늄입니다. 이 중 네오디뮴 철 붕소는 주로 회전자 영구 자석 제작에 사용되며 비용 구성 비율은 약 30%입니다. 규소강판은 맞춤형 회전자 코어 제작에 주로 사용되며 비용 구성 비율은 약 20%입니다. 고정자 권선은 약 15%, 모터 축은 약 5%, 모터 외피는 약 15%를 차지합니다.

왜OSG 영구 자석 모터 스크류 공기 압축기더 효율적일까요?

영구 자석 동기 모터는 주로 고정자, 회전자 및 외함으로 구성됩니다. 일반적인 교류 모터와 마찬가지로 고정자 코어는 모터 작동 시 와전류 및 히스테리시스 효과로 인한 철손을 줄이기 위해 적층 구조를 갖습니다. 권선 또한 일반적으로 3상 대칭 구조이지만, 파라미터 선택은 상당히 다릅니다. 회전자 부분은 기동용 농형 케이지가 있는 영구 자석 회전자, 매립형 또는 표면 장착형 순수 영구 자석 회전자 등 다양한 형태를 가집니다. 회전자 코어는 솔리드 구조 또는 적층 구조로 제작될 수 있습니다. 회전자에는 영구 자석 재료(일반적으로 자석이라고 함)가 장착되어 있습니다.

영구 자석 모터는 정상 작동 시 회전자와 고정자의 자기장이 동기 상태를 유지합니다. 회전자 부분에는 유도 전류가 발생하지 않으며, 회전자 동손, 히스테리시스 손실, 와전류 손실도 없습니다. 따라서 회전자 손실 및 발열 문제를 고려할 필요가 없습니다. 일반적으로 영구 자석 모터는 특수 주파수 변환기를 통해 구동되며, 자연스럽게 소프트 스타트 기능을 갖습니다. 또한, 영구 자석 모터는 여자 전압을 조절하여 역률을 조정할 수 있는 동기 모터이므로, 역률을 특정 값으로 설계할 수 있습니다.

출발점에서 볼 때, 영구자석 모터는 가변 주파수 전원 공급 장치 또는 보조 인버터를 통해 시동되기 때문에 시동 과정이 매우 간단합니다. 이는 가변 주파수 모터의 시동과 유사하며, 일반적인 케이지형 비동기 모터의 시동 결함을 방지합니다.

요약하자면, 영구 자석 모터는 효율과 역률이 매우 높고 구조가 매우 간단하며 지난 10년간 시장이 매우 뜨거웠습니다.

하지만 영구 자석 모터에서는 여자 손실 고장이 불가피한 문제입니다. 전류가 너무 크거나 온도가 너무 높으면 모터 권선의 온도가 순간적으로 상승하고 전류가 급격히 증가하여 영구 자석의 여자 손실이 빠르게 발생합니다. 영구 자석 모터 제어 시스템에서는 모터 고정자 권선이 타는 문제를 방지하기 위해 과전류 보호 장치를 설치하지만, 그로 인한 여자 손실 및 장비 정지는 불가피합니다.