전동기는 현대 산업의 생명선이며, 그중 영구 자석 동기 전동기(PMSM)는 여러 분야에서 우수한 솔루션으로 부상하고 있습니다. 기존 전동기에 비해 어떤 장점이 있을까요? 구조 내부에 어떤 독창적인 설계가 숨겨져 있을까요? 어떤 독특한 제어 전략이 이들을 돋보이게 할까요? 이 기사에서는 PMSM의 구조, 작동 원리, 제어 방법 및 응용 분야에 대한 포괄적인 분석을 제공합니다.
영구 자석 동기 전동기(PMSM)는 영구 자석이 여자 자계를 제공하는 동기 전동기의 한 유형입니다. 기존의 전기 여자 동기 전동기에 비해 PMSM은 추가 여자 권선 및 전원 공급 장치가 필요 없어 구조가 더 작고 효율성이 높습니다. 유도 전동기와 비교했을 때 PMSM은 더 높은 전력 밀도, 토크 대 관성비 및 제어 정밀도를 제공하여 고성능 서보 드라이브, 전기 자동차, 풍력 발전 및 기타 응용 분야에 이상적입니다.
PMSM은 주로 고정자 및 회전자 두 부분으로 구성됩니다. 기본 구조는 기존의 동기 전동기와 유사하지만, 회전자의 설계가 핵심 혁신을 나타냅니다.
PMSM의 고정 부품인 고정자는 주로 고정자 코어와 고정자 권선으로 구성됩니다. 고정자 코어는 철손을 최소화하기 위해 일반적으로 규소 강판으로 적층됩니다. 고정자 권선은 고정자 코어의 슬롯에 내장되어 다상 AC 권선을 형성하며, 2상 및 3상 구성이 가장 일반적입니다. 권선 분포에 따라 고정자 권선은 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
분포 권선은 극당 상당 여러 슬롯(Q=2,3,...k)을 특징으로 합니다. 장점은 고차 고조파를 효과적으로 억제하고 전동기 성능을 향상시키는 것이지만, 제조 복잡성이 증가합니다.
집중 권선은 극당 상당 하나의 슬롯(Q=1)을 사용합니다. 제조가 더 간단하지만, 고조파 함량이 더 높아 고조파 억제를 위한 추가 조치가 필요합니다.
회전 부품인 회전자는 영구 자석을 핵심 혁신으로 특징으로 합니다. 자석 배치에 따라 PMSM은 다음과 같이 분류됩니다.
SPMSM에서 자석은 회전 표면에 직접 장착됩니다. 이 설계는 거의 정현파의 공극 자기장을 생성하고 인덕턴스 파라미터 설계를 단순화하지만, 기계적 강도가 낮고 공극의 영향에 대한 자석 취약성이 있습니다.
IPMSM은 회전자 내부에 자석을 내장하여 우수한 기계적 강도를 제공하고 릴럭턴스 토크를 활용하여 토크 밀도를 높일 수 있습니다. 단층, 다층 및 V형 배열을 포함한 다양한 내부 자석 구성이 존재합니다.
돌극비에 따른 추가 분류는 PMSM을 다음과 같이 나눕니다.
PMSM은 고정자의 회전 자기장과 회전자의 영구 자석 자기장 간의 상호 작용을 통해 작동합니다. 대칭 다상 AC 전류가 고정자 권선을 통과하면 회전 자기장이 생성됩니다. 회전자의 영구 자석 자기장은 이 회전 자기장과 동기화되어 회전을 구동하는 토크를 생성합니다. 동기 작동은 회전자의 속도가 고정자 자기장의 회전 속도와 일치할 때 발생합니다.
유도 전동기와 유사하게, PMSM 고정자 권선의 3상 AC 전류는 회전 자기장을 생성합니다. 자기장의 회전 속도는 전원 공급 주파수와 고정자 극쌍에 따라 달라집니다.
n = 60f / p
여기서 n은 회전 속도(rpm), f는 주파수(Hz), p는 극쌍 수입니다.
회전자 영구 자석 자기장과 고정자 회전 자기장 간의 상호 작용은 전자기 토크를 생성합니다. 토크 크기는 자기장 강도, 각도 관계 및 전동기 구조적 매개변수에 따라 달라집니다. SPMSM은 주로 영구 자석 토크를 생성하는 반면, IPMSM은 돌극 설계로 인해 영구 자석 토크와 릴럭턴스 토크를 모두 생성합니다.
PMSM 제어는 속도, 토크 및 위치의 정밀한 조절을 목표로 합니다. 비선형적이고 강하게 결합된 특성을 고려할 때, PMSM 제어는 고유한 과제를 제시합니다. 일반적인 제어 접근 방식은 다음과 같습니다.
이 간단한 방법은 전압 대 주파수 비율을 일정하게 유지하여 전동기 속도를 제어합니다. 비용 효율적이지만 정밀도와 동적 성능이 제한적이므로 고성능 응용 분야에는 적합하지 않습니다.
이 고급 기술은 독립적인 제어를 위해 고정자 전류를 여자 및 토크 성분으로 분해합니다. FOC는 높은 정밀도와 동적 응답을 제공하지만 좌표 변환 및 파라미터 식별을 포함하는 복잡한 알고리즘이 필요합니다.
회전자 자속을 기준으로 사용하여 이 방법은 고정자 전류를 d축 및 q축 성분으로 분해하여 별도의 여자 및 토크 제어를 수행하므로 빠른 토크 응답이 가능하지만 정확한 회전자 위치 데이터가 필요합니다.
이 변형은 고정자 자속을 기준으로 사용하여 직접적인 회전자 위치 의존성을 제거하지만 알고리즘 복잡성을 증가시킵니다.
DTC는 기준 토크 및 자속 값에 맞게 고정자 전압 벡터를 제어하여 토크를 직접 제어합니다. 구조적으로 간단하고 동적 특성이 우수하지만, 완화 조치가 필요한 상당한 토크 리플을 생성합니다.
위치 센서를 제거하면 비용과 복잡성이 줄어듭니다. 일반적인 센서리스 기술은 다음과 같습니다.
이 방법은 역기전력 관찰에서 회전자 위치를 추정하지만, 작은 신호 진폭으로 인해 저속에서 노이즈 간섭에 취약합니다.
고주파 신호를 주입하고 돌극 효과로 인한 인덕턴스 변화를 모니터링함으로써, 이 접근 방식은 IPMSM에 적합하지만 더 높은 스위칭 주파수가 필요합니다.
사다리꼴 역기전력을 가진 PMSM에 사용되며, 이 간단한 방법은 상당한 토크 리플을 생성합니다. 폐루프 구현에는 위치 피드백을 위한 홀 센서가 필요합니다.
기존 유도 전동기에 비해 PMSM은 다음과 같은 장점을 제공합니다.
여자 전류를 제거하면 손실이 줄어들며, 특히 경부하에서 두드러집니다. 연구에 따르면 PMSM은 유사한 조건에서 프리미엄 효율(IE3) 유도 전동기보다 약 2% 더 높은 효율을 달성합니다.
고에너지 영구 자석은 소형 치수 내에서 더 강력한 자기장을 가능하게 하여 단위 부피당 더 많은 전력을 제공합니다.
낮은 관성을 가진 소형 회전자 설계는 빠른 시동-정지 작동 및 가속을 용이하게 하여 동적 응답을 향상시킵니다.
FOC 및 DTC와 같은 고급 제어 방법은 속도, 토크 및 위치의 정밀한 조절을 가능하게 하여 까다로운 서보 응용 분야를 충족합니다.
PMSM은 다양한 분야에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.
EV 추진 시스템에 이상적인 PMSM은 주행 거리와 가속을 향상시킵니다. Tesla 및 BYD와 같은 주요 제조업체에서 이 기술을 채택했습니다.
직접 구동 PMSM 풍력 터빈은 기어 박스를 제거하여 기계적 손실과 유지 보수를 줄이는 동시에 열악한 환경에서 신뢰성을 향상시킵니다.
고성능 서보 시스템의 핵심 구성 요소로서 PMSM은 산업용 로봇 및 CNC 공작 기계의 까다로운 요구 사항을 충족합니다.
인버터 기반 에어컨, 세탁기 및 냉장고에 널리 사용되는 PMSM은 에너지 효율을 향상시키면서 소음을 줄이고 수명을 연장합니다.
PMSM은 우수한 효율, 전력 밀도 및 제어 정밀도로 전동기 기술의 중요한 발전을 나타냅니다. 영구 자석 재료 및 제어 알고리즘이 계속 발전함에 따라 응용 분야는 전기 이동성, 스마트 제조 및 항공 우주 분야로 더욱 확장될 것입니다. 전동기 설계, 제어 전략 및 센서리스 기술에 대한 지속적인 연구는 지속적인 PMSM 개발을 추진할 것으로 예상됩니다.
담당자: Mr. Alex Yip
전화 번호: +86 2386551944
