고효율 전기차 추진: 영구 자석 동기 모터 시스템

영구 자석 동기 모터는 높은 효율과 강력한 출력, 유연한 설계로 인해 신에너지 자동차의 핵심 원동력입니다. 전 세계 전기 자동차 시장은 빠르게 성장하고 있으며, PMSM은 뛰어난 전력 밀도와 에너지 절약 성능으로 자동차 산업의 미래를 재편하고 있습니다.

영구 자석 동기 모터는 3상 AC 동기 모터입니다. 핵심은 회전자에 있는 영구자석이 일정한 자기장을 생성하여 고정자 권선에 의해 형성된 회전 자기장과 상호 작용하여 회전자가 동기 속도로 작동하도록 구동하는 것입니다. 기존 유도 모터와 비교하여 PMSM은 슬립 손실이 없습니다. 3상 고정자 권선에 전원이 공급되면 회전 자기장이 생성되어 효율적이고 정확한 전력 출력을 달성합니다.

PMSM은 주로 스테이터와 로터로 구성됩니다. 고정자는 일반적으로 권선이 있는 실리콘 강판의 적층 코어를 사용하여 회전 자기장을 생성하고, 회전자에는 영구 자석이 내장되거나 표면에 장착되어 일정한 자기장을 제공합니다. PMSM은 일반적으로 내부 로터 설계를 채택하지만 일부 고효율 가전제품에는 외부 로터 구조도 사용됩니다.

핵심 분류: SPMSM 및 IPMSM

로터 내 영구 자석의 위치에 따라 PMSM은 크게 두 가지 범주로 나뉩니다:

표면 영구 자석 동기 모터(SPMSM): 영구 자석이 로터 표면에 직접 부착되어 있으며 AC 축과 DC 축의 인덕턴스가 동일합니다. 구조가 간단하고 산업 자동화 서보 시스템과 같이 빠른 응답과 높은 과부하 용량이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

내장형 영구 자석 동기 모터: 영구 자석은 로터 코어에 내장되어 있으며 AC 및 DC 샤프트 인덕턴스가 동일하지 않습니다. 이 구조는 릴럭턴스 토크 원리를 사용하여 높은 토크 밀도와 넓은 속도 범위를 제공하며, 새로운 에너지 차량 트랙션 시스템의 주류 선택입니다.

로터 설계 및 최적화

로터는 전기자동차의 빠른 가속 여부와 내구성을 결정하는 영구자석 동기 모터(PMSM)의 핵심 부품입니다. 자동차 엔진의 '핵심 기어'와 같은 디자인으로, 강력한 자석을 영리하게 배치하여 강력한 힘과 정숙한 주행 경험을 제공합니다.

로터는 고성능 자석인 NdFeB 자석을 사용하여 모터가 95% 효율을 달성하여 기존 모터보다 15% 더 많은 전력을 절약할 수 있도록 합니다. 예를 들어 주행 거리가 400km인 전기 자동차의 경우 50km를 추가할 수 있으며, 이는 충전소 방문 횟수를 줄일 수 있는 것과 같습니다. 로터는 얇은 강판을 쌓아 올린 후 V자 홈에 끼워 자석을 고정하는 방식으로 만들어져 에너지 낭비를 줄였습니다. 동시에 최적화된 설계로 무게는 더 가벼워지고 가속도는 더 민감해졌습니다.

더 조용한 주행을 위해 엔지니어들은 자석 레이아웃을 조정하여 모터가 작동할 때 발생하는 윙윙거리는 소음을 줄였으며, 소음은 조용한 거실 환경에 가까운 40데시벨로 낮습니다. 또한 첨단 제조 기술을 통해 고속이나 고온에서도 안정적으로 작동하며 고장률은 0.5%에 불과합니다.

고정자 디자인

고정자 설계는 PMSM의 성능에 매우 중요합니다. 신에너지 자동차의 주 구동 모터는 일반적으로 분산 권선을 사용합니다. 고르게 분산된 권선을 통해 전자기력 분포가 최적화되어 고조파를 효과적으로 억제하고 효율과 토크 출력 품질을 향상시킵니다. 집중 권선에 비해 분산 권선에 의해 생성되는 역기전력은 이상적인 사인파에 더 가깝고 전자기 노이즈가 낮고 제어 정확도가 높습니다.

고정자 설계는 권선 레이아웃과 전자기력 분포를 미세하게 최적화하여 NVH 성능을 크게 향상시킵니다. 고급 전자기장 시뮬레이션을 통해 고주파 고조파를 최대 30%까지 감소시켜 정숙한 주행에 대한 소비자의 높은 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 컴팩트한 고정자 구조 설계는 다양한 로터 토폴로지에 유연하게 적용하여 모터 내부 공간 활용을 극대화할 수 있습니다.

PMSM 기능 및 장점

높은 효율성 및 전력 밀도

PMSM은 로터 여기 전류가 필요하지 않으므로 관련 손실이 없습니다. 최고 효율은 95% 이상으로 기존 비동기 모터보다 훨씬 뛰어납니다. 전력 밀도가 뛰어나 동일한 부피에서 더 강력한 전력을 출력할 수 있습니다.

고성능, 저소음 및 높은 신뢰성

PMSM은 일정한 전력 속도 조절 범위가 넓고 원활하게 작동합니다. 극 경사 구조 및 NVH 최적화 조치와 결합하여 작동 소음이 40데시벨 이하로 낮고 전자기 간섭(EMI)이 최소화됩니다. 브러시리스 설계로 브러시 스파크와 마모가 없고 유지보수가 거의 필요하지 않으며 일반적으로 10년 이상의 설계 수명을 자랑합니다.

컴팩트한 디자인 및 제어 유연성

PMSM은 컴팩트한 구조, 가벼운 무게, 작은 로터 관성 및 빠른 동적 응답을 제공합니다. 현장 지향 제어(FOC) 기술과 결합하여 저속 영역에서 높은 토크와 부드러운 출력을 얻을 수 있어 순간 가속 응답에 대한 신에너지 차량의 요구 사항을 완벽하게 충족합니다.

애플리케이션 시나리오

새로운 에너지 차량 전송 시스템

PMSM은 신에너지 차량 구동 시스템의 핵심 동력원입니다. 테슬라 모델 3에 장착된 PMSM 모터는 높은 효율과 275마력(약 205kW)의 최고 출력으로 510km 이상의 주행거리(WLTP)를 지원합니다. BYD 한 EV에 사용된 IPMSM 모터는 최대 200%의 단기 과부하 용량으로 강력한 가속 성능과 뛰어난 에너지 효율을 달성합니다.

산업 기계 및 서보 드라이브

산업 분야에서 PMSM은 공작 기계 스핀들, 이송 축 및 서보 드라이브에 고정밀 위치 제어와 빠른 동적 응답을 제공합니다. 지멘스 서보 시스템은 응답 시간이 1밀리초로 짧은 저관성 SPMSM 모터를 널리 사용하므로 자동화된 생산 라인과 정밀 CNC 공작 기계에 이상적입니다.

가전 제품, 로봇 및 전력 시스템

PMSM은 가전제품, 로봇 조인트 드라이브 및 전력 시스템에 침투했습니다. 미데아의 가변 주파수 에어컨 PMSM 컴프레서는 기존 모델에 비해 30% 이상의 에너지를 절약할 수 있으며, 로봇 관절 모터는 낮은 관성으로 정밀하고 유연한 동작 제어를 실현하고, 전력망의 역률 보정(PFC)에도 PMSM을 사용하여 전반적인 전력 전송 및 분배 효율을 개선할 수 있습니다.

요약 및 전망

영구 자석 동기 모터는 뛰어난 효율, 높은 토크 밀도, 컴팩트한 디자인으로 신에너지 차량 및 첨단 산업 분야에서 핵심 기술로 자리 잡았습니다. IPMSM은 높은 토크 밀도와 광범위한 속도 조절 기능으로 신에너지 차량 트랙션 시장을 지배하고 있으며, SPMSM은 빠른 응답과 비용 이점으로 서보 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 지능형 인버터와 첨단 센서리스 제어 기술의 지속적인 발전으로 시스템 비용을 절감하고 성능을 개선하고 있습니다.

Ethan Huang

저는 자석에 관한 대중 과학 글을 쓰고 있습니다. 제 기사는 주로 자석의 원리, 응용 분야, 업계 일화에 초점을 맞추고 있습니다. 제 목표는 독자들에게 유용한 정보를 제공하여 모든 사람이 자석의 매력과 중요성을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는 것입니다. 동시에 자석과 관련된 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 자석의 무한한 가능성을 함께 탐구하는 동안 자유롭게 팔로우하고 참여해 주세요!

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