전기차에서 전기모터는 차량의 토크, 출력, 속도를 결정하다 보니 다른 부품들에 비해 많은 관심을 가지시는 것 같더라고요. 그래서 이번 시간에는 전기모터의 종류에 대해 한번 알아보도록 하겠습니다.
먼저 모터가 돌아가는 원리는 자석과 자석간의 밀고 당기는 힘을 통해 회전시키는 겁니다. 쉽게 말해 자석 돌리기라고 보시면 됩니다. 우리가 일상생활에서 사용하는 영구자석이 될 수도 있고, 그리고 쇠막대기에 코일을 감은 전자석이 될 수 있습니다.
여기서 전자석은 N극 S극을 제어할 수 있기 때문에 전자석을 제어하여 자석을 이동시키는 원리입니다.
크게 이렇게 4가지에 대한 개념만 잡고 있으면 됩니다.
DC모터, BLDC 모터, 유도전동기, PMSM(영구자석형동기전동기)
1. DC 모터
DC 모터는 고정자로 자석을 사용하고, 회전자로 코일을 사용하여 브러쉬를 이용하여 전류의 방향을 전환합니다. 플레밍의 왼손 법칙으로 중학교/고등학교 때 나오는 내용입니다. DC 모터는 회로가 단순하고 가격도 저렴합니다. 다만 브러쉬라는 부품을 이용하기 때문에 마찰 때문에 내구성이 떨어지고 소음이 발생한다는 단점이 있습니다.
미니카 모터, 휴대용 선풍기 등이 대표적으로 DC 모터입니다.
2. BLDC 모터
다음은 브러쉬리스 모터 BLDC 모터입니다. 앞서 언급한 브러쉬를 없앴다고 해서 BLDC 모터입니다. 최근에 다이슨 헤어드라이어, 선풍기 등에 적용되면서 고급 전자제품에 많이 적용되어서 일반인들에게도 널리 알려진 모터입니다.
고정자가 코일을 감은 전자석이고, 회전자가 영구자석입니다. 전자석이 N극 S극을 만들어주면서 영구자석을 회전시키는 것입니다. 그리고 영구자석의 N극/S극 위치를 알아야 정확한 시점에 전자석을 N극 S극을 만들기 때문에 영구자석 위치를 알 수 있는 홀센서가 부착되어 있습니다.
브러쉬가 없기 때문에 내구성이 좋고 소음이 적습니다. 다만 회로 및 제어가 살짝 복잡해집니다.
브러쉬리스 의미는 물리적 접촉이 없이 전자석을 통해 자석을 돌린다는 것은 이해했고, DC 모터라고 부르는 이유에 대해 알아보겠습니다.
이거 가지고 토론도 많이 하고 그럽니다.
역기전력 이야기를 해야 하는데요, 모터에 전기를 넣지 않고 사람이 모터의 축을 손으로 돌리면 발전기가 됩니다. 즉, 모터 축을 돌리면 자석이 회전하면서 기전력을 만들어내는 겁니다.
이때 BLDC는 기전력이 순간적으로 반듯하게 DC 처럼 나온다고 해서 BLDC 라고 부릅니다. 이거는 모터의 자석의 자기력 방향을 어떻게 설계하느냐에 따라 다른거라 의도적인 설계입니다. 물론 역기전력을 길게 보면 방향이 바뀌기 때문에 교류라고 볼 수도 있긴한데, 순간적으로 DC 처럼 나오기 때문에 BLDC 라는 이름으로 굳어진 것으로 보입니다.
BLDC 모터가 회전하는 원리를 살펴보면요 전기는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 그래서 위에 3개 스위치가 있고, 아래에 3개 스위치가 있는데요 규칙이 위에 1개 아래 1개 켜질거고요 그리고 같은 레그(leg)에 있는 스위치는 동시에 켜지지 않습니다. Step1을 보시면 U상의 위에가 켜지고 W상의 아래가 켜집니다. 그러면 이렇게 전류 경로가 형성 되고 위의 코일은 전기가 들어가고, 5시 방향 코일은 전기가 나옵니다. 전기가 들어가면 N극, 전기가 나오면 S극이 된다고 하겠습니다.
이렇게 쭉 6 step을 다 돌면 1 사이클을 도는 겁니다.
이때 스위치를 on/off 하여 역기전력과 마찬가지로 순간적으로 DC 전압으로 제어합니다.
전체적으로 보면 전압이 +/- 변하기 때문에 교류라고 볼 수 있긴한데, 마찬가지로 BLDC라고 이름이 붙은건 순간적으로 DC 처럼 나오기 때문에 그렇게 이름이 붙은 것 같습니다.
다음은 PMSM이라고 불리는 모터입니다. PMSM은 역기전력이 사인파 형태로 발생합니다.그래서 BLDC 처럼 on/off 제어를 하면 안되고 전기 역시 사인파를 발생시켜줘야합니다. BLDC는 쉽게 말해서 on/off 밖에 안되기 때문에 1step 씩 끊어서 이동을 하는거고요, PMSM은 순시적으로 강약을 조절할 수가 있어서 부드럽게 이동합니다.
BLDC는 계단이라고 보시면 될 것 같고, PMSM은 비탈길이라고 보시면 될 것 같습니다. 그래서 PMSM을 BLAC라고 부르는 분들도 있으신 것 같아요.
PMSM이 효율이 좋고 에너지밀도가 높고 정밀도가 높습니다. 다만 제어기 설계가 복잡합니다. 전기자동차에서는 대부분 PMSM을 사용하고 있습니다.
마지막으로 테슬라 모델 S, X에 적용되었던 유도 전동기입니다. 유도전동기는 영구자석을 안 쓰고
빈 깡통 주위에 자석을 회전시키게 되면 깡통에 와전류가 발생하고 그로 인해 깡통도 자석을 따라 같이 회전하는 원리입니다.
영구자석을 사용하지 않기 때문에 구조도 단순하고 가격이 저렴합니다. 하지만 에너지밀도가 낮고 효율이 낮고 제어도 어려워서 전기차에서 많은 선택을 받고 있지는 못합니다.
최근에 전기차 연구는 대부분 PMSM을 기반으로 해서 연구가 진행되고 있고요, 자석의 배치, 물성 조합, 제어 방식, 권선 감는 방식, 냉각, 고정자 치 설계 등 세부적으로 다양한 연구가 진행되고 있습니다.
전기차는 어떤 모터를 사용할까?
모터의 종류와 원리에 대해 알아보자
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