IPMSM과 돌극성(Saliency)

IPMSM에서 말하는 돌극성(Saliency)이 뭘까? | 영구자석 동기 전동기 분석

 

영구자석 동기 전동기 (Permanent Mgnet Synchronous Motor : PMSM)을 검색하고 들어오신 분들이라면 각자 관련된 전공책이 있거나 대략적인 지식은 다들 알고 계실 거라 생각한다. 따라서 PMSM에 대한 자세한 설명은 보단 내가 공부하면서 헷갈렸던 것 위주로 설명해 보려 한다.

 

표면부착형자석동기전동기 (Surface Permanent Magnet Synchronous Motor : SPMSM)와 매입형자석동기전동기 (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor : IPMSM). 이름만 봐도 알 수 있듯 넓은 의미에서 두 모터의 차이는 회전자 속 자석의 배치 형태에 따라 구분된다. 보통 두 모터 특성 중 가장 큰 차이는 돌극성(Saliency)의 유무라는 것을 들어봤을 것이다.

 

쉽게 말해 돌극성은 d축과 q축의 리엑턴스가 달라서 생기는 성질을 의미한다.

d축은 영구자석의 N극 방향으로 결정되고 q축은 d축보다 pi/2 앞서도록 설정하는데, SPMSM은 동일한 두께로 자석이 회전자 둘레를 감싸고 있기 때문에 두 축의 경로에 존재하는 매질 종류가 크게 다르지 않다. 반면 IPMSMS의 경우 두 축을 이루고 있는 매질의 종류가 다르다. 자석보다 철심에서 자기장이 더 잘 흐르기 때문에 두 축을 따라 자기장의 흐르는 정도인 투자도(permeance)가 다를테고 이는 두 축에서의 인덕턴스 값이 다름을 의미한다.

dq 좌표계에 대한 자세한 고찰이 궁금하신 분은 아래 게시글을 참고하면 좋다.

2020/08/12 - [유용한 지식/모터 제어] - 모터 제어에서 dq 좌표계를 왜 쓸까? | 좌표계 변환

모터 제어에서 dq 좌표계를 왜 쓸까? | 좌표계 변환

 

이렇게 두 인덕턴스가 다르면 어떤 성질이 일어날까? 아래 모델링을 통한 PMSM의 토크 방정식을 보자.

위 식 우변의 두번째 항을 보면 (Ld - Lq)가 들어있음을 알 수 있으며, 이것을 릴럭턴스(Reluctance) 토크라고 한다. 여기서 릴럭턴스는 자기장이 흐르는데 방해되는 정도를 의미하며 자기저항이라고도 한다. 아마 두 축의 자기저항이 달라 인덕턴스가 다르기 때문에 발생한 토크라서 그렇게 부르는 듯 하다. 참고로 reluctance는 위의 permeance의 역수 관계이다.

돌극성이 없는 SPMSM은 이 릴럭턴스 토크가 없지만 돌극성이 있는 IPMSM은 이 릴럭턴스 토크까지 이용할 수 있기 때문에 이론적으로 더 큰 효율을 가질 수 있다.

 

하지만 사실 자석을 회전자 표면에 부착하더라도 자석 간에 간격을 넓게 띄우고 그 사이를 철심으로 매꿔놓을 경우 SPMSM이지만 돌극성을 가질 수 있으며, 반대로 자석이 회전자에 매입되었지만 d, q축 경로에서 자석의 두께가 동일하게 만들 경우 돌극성을 잃을 수 있기 때문에 엄밀히 말하면 일반화를 할 수는 없다. 그렇지만 보통 두 모터의 차이를 얘기할 땐 이러한 예외는 제외하고 생각한다.

 

결론. 돌극성이란 Ld, Lq가 다르기 때문에 생기는 성질을 의미한다.