전기차용 전동기

 

전동기란

전동기는 '전류를 통과시키며 움직이는 장치'로, 전력을 이용하는 원동기다. 즉 전기에너지를 회전 에너지로 전환하는 기계다. 전동기의 축에 기계적 부하(돌림힘에 의해 작용하는 각종 기계)를 연결하여 운전하며, 전동기의 일률은 보통 킬로와트(kW) 또는 마력(HP＝0.75 kW)으로 표시한다.
전류에서 돌림힘을 끌어내는 원리는 "자기장 속을 흐르는 전류에는 자기력이 작용한다"라는 것이며, 이 자기력의 방향은 자계와 전류 방향에 직각이 된다. 이 관계는 로렌츠 힘으로 표시된다.

 

1. 직류형

자계에 직각으로 코일을 놓고 전류를 흐르게 하는 것이다. 코일의 양쪽을 흐르는 전류가 반대 방향으로 흘러 돌림힘이 발생하므로 이것을 연속적으로 끌어낸다.
가장 일반적인 유형은 자기장이 생성한 힘에 의존한다. 대부분의 직류전동기는 주기적인 모터 부분의 전류 흐름 방향을 변경하기 위해 전기 또는 전자기구의 내부 중 일부를 가지고 있다. 기존의 직류 점등 전원 분배 시스템으로부터 전원을 공급받을 수 있기 때문에, 광범위하게 사용되는 제1 유형이었다. 전동기의 속도는 가변 공급 전압 또는 계자 권선의 전류 강도 변화를 사용하여, 넓은 범위에서 제어될 수 있다. 

장점

시동시에 가장 큰 토크를 내는데, 회전수의 상승에 따라 역기전력이 발생해 전류가 감소하기 때문에, 토크가 감소하면서 회전력이 늘어간다.
동일 정격의 직류전동기 중에서는, 분권전동기나 복권전동기에 비해 시동 토크가 크다.
무제어로 광범위한 속도 범위에 적응할 수 있는 넓은 특성 영역이 있기 때문에, 앞의 장점과 함께 전기 철도에 적합하다.(단, 분권전동기를 제어하여 회생제동을 포함하여 심리스로 제어하는 방식도 있다.）

단점

정류에서 브러시나 정류자에 마모가 발생하기 때문에, 보수 수요가 있다.
고회전 영역에서는 원심력의 영향으로 정류자가 파괴될 위험이 있다.
고부하 가속운전 시 등의 경우는 정류자 사이의 섬락(플래시 오버)등의 중대한 고장을 일으키기 쉽다.
무부하 운전시 과회전에 의해 전동기가 파괴될 수도 있기 때문에 무부하 운전 가능성이 있는 용도로는 쓸 수 없으며, 속도 초과시에 통전을 차단하는 안전회로를 설치하는 등 주의가 필요하다.
벨트를 사용하면 벨트가 끊어질 우려가 있다.(직권전동기의 이론적인 무부하 운전속도는 무한대)

가. 직류전동기

정류자와 브러쉬의 접촉에 의해서 코일에 전류를 흐르게 함과 동시에 전류시키는 역할을 한다.

구조가 단단하고 효율이 높다

정밀제어 및 유지보수가 어렵다

저출력의 저속 전기차에 주로 사용한다.

나. BLDC전동기

직류전동기에서 브러쉬가 없는 형태로 비촉접촉의 위치검출기와 반도체소자로 통전 및 전류시킨다.

고정자 코일을 제어하여 모터를 회전시킨다,

역기전력이 사다리꼴이다,

기계적인 접촉부가 없어 수명이 길고 기계적 전기적 노이즈가 발생하지 않는다.

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2. 교류형

변화하는 자계 속에 도체를 두었을 때 전자기 유도의 법칙에 따라 도체에 전류가 흘러 먼저와 같은 원리로 돌림힘이 발생하는 것을 이용하는 것이다.
일반적으로 회전 자기장을 생성하기 위해 교류가 공급되는 코일이 있는 바깥쪽 고정자와 출력축에 부착된 내부 회전자를 포함하는 2개의 기본 부품으로 구성된 회전 자계이다. 회전자 자기장은 영구 자석, 자기 저항 돌출부, 직류 또는 교류 전기 권선이 생성할 수 있다.

가. 유도전동기

스테이터부에 발생하는 회전자계가 로터부에 생기는 유도자계와의 상호작용으로 회전력을 얻는다,

부하에 대응하는 회전수로 회전하나 어느 정도 정속성이 있다

삼상유도전기는 농형과 권선형으로 구분한다

구조가 간단하고 견고하다

경부하에서 효율이 낮다

회전자의 손실로 인한 발영 및 냉각에 어려움이 있다

나. 동기전동기

동기전동기는 동기속도로 회전하는 전동기다. 회전자가 장자석인 회전 장자석형을 일반적으로 쓴다.

고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 고정자에 전류가 공급되며 회전자하는 영구자석을 사용한다.

구동시스템이 복잡하나 큰 힘을 낼수 있다.

방열특성이 좋다

부하 또는 전압의 변동에 관계없이 전원 주파수와 동기화된 상태에서 고정속도로 회전한다.

전력밀도 및 효율성이 높고 응답속도가 빠르다

로터동손(Copper loss)이 없어 매우 높은 피크효율을 제공한다.

기동토크가 작고 구조와 취급이 복잡하다

유도전동기에 비해 효율이 높다.
장자석이 만드는 자기장과 전기자전류가 만드는 자기장과의 회전 속도 차이에 동기해 회전하므로, 회전수의 오픈루프 제어가 가능하다.
위상각(phase angle)이란 장자석으로부터 전기자 전류의 회전의 위상 차이이다. 동기전동기의 돌림힘은 위상각이 커지는 만큼 커져, 90도일 때 이론적인 최대 토크가 된다. 또, 회전 장자석에 동기해 회전하므로, 그 일률은 돌림힘에 비례한다.
부하의 돌림힘이 너무 커지면 동기화가 되지 않기 때문에 정지한다. 이 때의 돌림힘을 탈출 돌림힘이라고 하며, 부하각으로 50~70도의 범위에 있다.

동기전동기의 분류

영구자석 동기전동기 (Permanent Magnet Synchronous Motor) - 회전자(계자)에 영구자석을 사용한 것이다.
스테퍼모터 (보진 전동기)- 펄스 전력에 동기해 1스텝씩 동작하는 것이다.
히스테리시스 동기전동기 - 원통형의 연자성체를 회전자로 한 것이다.
전자석 동기전동기 - 회전자(계자)로 전자석을 사용한 것이다.
3상 동기전동기 - 3상 교류를 입력으로 동작하는 것이다.