표면 장착형과 내부 영구 자석 모터 비교
- Ethan
- 지식 기반
영구 자석 동기 모터(PMSM)는 현재 새로운 에너지 차량과 고효율 산업용 드라이브에서 가장 주류인 모터 유형입니다. 이 모터의 핵심은 고성능 영구 자석 를 사용하여 로터에 일정한 자기장을 직접 생성하여 브러시리스, 슬립 프리, 고효율 동기식 작동을 실현합니다. 로터에 영구자석을 장착하는 위치와 자기 회로 특성에 따라 PMSM은 크게 표면 영구자석 동기 모터(SPM)와 내부 영구자석 동기 모터(IPM)의 두 가지 범주로 나뉩니다.
- SPM 모터에는 로터 코어의 외부 표면에 영구 자석이 부착되어 있습니다.
- SPM 모터는 제조 공정이 간단하지만 자기 회로 설계는 일반적으로 덜 정교합니다.
- SPM 모터는 저-중급 전력 애플리케이션에 적합합니다.
- IPM 모터는 로터 코어 내부에 영구 자석을 내장하고 있습니다.
- IPM 모터는 기계적 강도가 높고 자기 회로 설계가 우수합니다.
- IPM 자석 모터는 고속, 고출력 애플리케이션에 적합합니다.
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주요 내용
- PMSM의 기본 구조는 고정자, 회전자, 에어 갭, 엔드캡 및 베어링과 같은 보조 부품으로 구성됩니다.
- PMSM은 크게 표면 영구 자석 동기 모터(SPM)와 내부 영구 자석 동기 모터(IPM)의 두 가지 범주로 나뉩니다.
- SPM과 IPM의 작동 원리는 전자기 상호작용과 자기장 동기화를 기반으로 합니다.
- 표면 영구 자석 모터(SPM)는 영구 자석을 로터 코어의 외부 표면에 호 모양으로 직접 부착합니다. 제조 공정이 간단하고 비용도 상대적으로 저렴합니다. 중저속 서보 모터, 저전력 브러시리스 DC 모터 및 일부 구형 장비에 적합합니다.
- 내부 영구 자석 모터(IPM)는 로터 코어 내부에 영구 자석을 내장합니다. 기계적 강도가 높고 영구 자석이 코어에 의해 자연스럽게 보호되며 빠른 속도와 신뢰성을 제공하므로 거의 모든 주류 신에너지 차량 구동 모터에 적합합니다.
PMSM의 개발 역사
기존 모터 시대에는 비동기 모터와 전기 여자 모터가 주류를 이루었습니다. 동기식 모터. 니콜라 테슬라는 1887~1888년에 3상 비동기 모터를 발명했으며, 이후 산업용 애플리케이션을 지배하게 되었습니다. 비동기 모터의 회전자 자기장은 회전자에서 고정자 전류의 유도에 의해 생성됩니다. 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴하며 내구성이 높지만 효율이 상대적으로 낮고 크기가 크며 무게가 무겁다는 단점이 있습니다. 이러한 특성 때문에 오랫동안 산업용 팬, 펌프, 컴프레서와 같은 범용 장비에 선호되어 왔습니다.
표면 영구 자석 모터의 부상
1970년대에 희토류 영구 자석 재료가 크게 발전하면서 영구 자석 동기 모터가 실용적이고 널리 상업적으로 사용되기 시작했습니다. 표면 장착형 영구 자석 모터는 간단한 제조 공정, 고도로 대칭적인 자기 회로, 간단한 벡터 제어로 인해 초기의 주류 유형이 되었습니다. 그러나 고속에서 표면 장착 자석은 원심력으로 인해 분리되기 쉽고 자화가 발생하여 자계 약화 속도 증폭이 약하고 릴럭턴스 토크가 거의 발생하지 않을 수 있습니다. 이러한 단점 때문에 고속, 고출력 시나리오에서는 점차 적용이 제한되었습니다.
인테리어 영구 자석 모터의 부상
내부 영구 자석(IPM) 모터의 개념은 1950년대로 거슬러 올라가지만 당시에는 영구 자석 재료의 성능에 한계가 있어 대규모로 채택되지는 못했습니다. 1980년대에 NdFeB 소재가 본격적으로 상용화되면서 폭발적인 발전이 시작되었습니다. 2000년 이후 도요타 프리우스는 넓은 속도 범위 작동, 고효율, 우수한 자계 약화 속도 확장 기능, 높은 기계적 강도, 우수한 자석 보호, 상대적으로 낮은 희토류 재료 사용량 등 포괄적인 장점을 충분히 입증하면서 IPM 모터를 광범위하게 채택했습니다. 이러한 성공은 신에너지 자동차 분야에서 IPM의 빠른 수용을 직접적으로 촉진했습니다. 현재 IPM은 전기 자동차 구동 모터 분야에서 절대적인 주류 유형이 되었으며 산업용 고효율 가변 주파수 모터를 대체하는 데에도 보급을 가속화하고 있으며 표면 영구 자석 모터(SPM)는 점차 저속 또는 특정 전력 시나리오로 후퇴하고 있습니다.
영구 자석 동기 모터의 기본 구조
PMSM의 기본 구조는 고정자, 회전자, 에어 갭, 베어링, 하우징 및 기타 보조 부품으로 구성됩니다. 3상 교류 전류가 인가되면 이러한 권선이 회전 자기장을 생성하며, 로터에는 영구 자석이 장착되어 있어 여기 전류 없이도 일정한 자기장을 제공합니다. 에어 갭은 자기장 상호 작용의 주요 영역입니다.
작동 원리는 고정자의 회전 자기장과 회전자 영구 자기장 사이의 상호 작용에 의존합니다. 이 두 자기장이 서로 고정되어 회전자가 동기 속도로 회전하고 전자기 토크를 생성합니다. 기존의 비동기 모터와 비교했을 때 PMSM은 미끄러짐과 여기 손실이 없으며, 일반적으로 94%-98%+에 이르는 효율과 높은 전력 밀도 및 빠른 동적 응답을 제공합니다. 그러나 PMSM은 시동 및 속도 조절을 위해 주파수 변환기와 벡터 제어(FOC)가 장착되어 있어야 합니다.
| 비교 차원 | 영구 자석 동기 모터(PMSM) | 기존 비동기 모터 |
|---|---|---|
| 로터 자기장 소스 | 영구 자석은 전기가 필요 없는 일정한 자기장을 생성합니다. | 고정자 자기장은 회전자에 전류를 유도하여 자기장을 생성합니다. |
| 속도 관계 | 엄격하게 동기화, 미끄러짐 없음 | 미끄러짐 포함 |
| 효율성 | 94%-98%+ 최대 부하 시 | IE3 90%-93%, IE4 최대 95% |
| 전력 밀도 | 높음 | 상대적으로 낮음 |
| 토크 특성 | 넓은 일정한 토크 범위 + 강력한 필드 약화를 통한 속도 증가, 강력한 저속 버스트 파워 | 좁은 일정한 토크 범위, 고속에서 급격한 출력 저하 |
| 제어 방법 | 주파수 변환기 + FOC 제어 필요 | 직접 그리드 연결 가능, 간단한 제어 |
| 초기 비용 | 높음 | 낮음 |
| 유지 관리 가능성 | 브러시리스, 미끄럼 방지 링이 없고 유지 보수가 필요 없지만 자화 방지가 필요합니다. | 구조는 단순하지만 베어링이 손상되기 쉽습니다. |
| 일반적인 애플리케이션 | 새로운 에너지 차량, 드론, 고효율 풍력 터빈, 로봇 | 기존 풍력 터빈, 워터 펌프, 컴프레서 및 일반 장비 |
영구 자석 동기 모터는 효율, 범위, 크기 및 전력 응답 측면에서 비동기 모터를 완전히 능가하므로 장거리 주행과 낮은 에너지 소비를 요구하는 신에너지 차량의 요구 사항에 특히 적합합니다. 따라서 주류 자동차 제조업체들은 PMSM으로 전환했습니다. 반면 비동기 모터는 비용에 민감한 전통적인 산업 분야로 후퇴했습니다.
팁: PMSM 모터는 일반적으로 동일한 전력 정격의 동급 비동기 모터보다 20%-40%가 더 비쌉니다.
영구 자석 동기 모터의 분류
영구 자석 동기 모터(PMSM)는 회전자에 영구 자석을 장착하는 위치와 자기 회로 특성에 따라 크게 표면 장착형(SPM)과 내부 장착형(IPM)의 두 가지 범주로 나뉩니다. 이 분류는 PMSM의 핵심적인 구조적 구분입니다. SPM과 IPM은 각각 고유한 강조점이 있습니다. 전자는 구조적 단순성과 제어의 용이성을 강조하는 반면, 후자는 새로운 에너지 차량과 같은 고성능 분야에서 우위를 점하고 있습니다.
표면 영구 자석(SPM) 모터는 영구 자석이 로터 코어의 외부 표면에 타일 모양으로 직접 장착되어 있습니다. 이 설계는 제조 공정이 더 간단하고 대칭성이 높은 자기 회로로 벡터 제어를 간소화합니다. 그러나 자석이 표면에 장착되어 있기 때문에 로터의 기계적 강도가 낮습니다. 고속에서 원심력으로 인해 분리되기 쉽습니다. 또한 자기장 약화 속도 향상 기능이 약하고 릴럭턴스 토크가 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 이러한 한계로 인해 고속 및 고전력 애플리케이션에서의 사용이 제한됩니다. SPM 모터는 일반적으로 저속 및 중속 서보 애플리케이션, 저전력 BLDC 모터, 레거시 장비 및 제조 단순성과 비용이 우선시되는 시나리오에 적합합니다.
내부 영구 자석(IPM) 모터는 로터 적층 내에 영구 자석을 배치합니다. 일반적인 로터 토폴로지에는 V자형, 이중 V자형, I자형 등이 있습니다. 이 설계는 로터에 더 높은 기계적 강도를 부여하여 자화 저항과 고속 안정성을 향상시킵니다. IPM은 더 넓은 정전력 속도 범위를 제공하며, 희토류 자석의 사용량을 줄여 전반적인 효율을 개선하고 우수한 토크 밀도를 달성합니다. 하지만 로터 설계가 더 복잡하기 때문에 제조 공정이 더 복잡해지고 비용이 높아집니다. 이러한 복합적인 장점 덕분에 IPM은 거의 모든 주류 신에너지 차량 구동 모터와 많은 고효율 산업용 가변 주파수 모터에 선호되는 솔루션이 되었습니다.
| 치수 | 표면 실장(SPM) | 내부 마운트(IPM) |
|---|---|---|
| 자석 위치 | 로터에 표면 실장 | 로터 내부 임베디드 |
| 최대 속도 | 일반적으로 10,000RPM 미만 | 쉽게 15,000~22,000 RPM 이상 |
| 필드 약화 속도 증폭 능력 | 상대적으로 약함 | Strong |
| 토크 구성 | 주로 자기 토크 | 자기 토크 + 릴럭턴스 토크(>30% 가능) |
| 자석 보호 | 추가 피복/본딩 필요 | 철심에 의해 자연적으로 보호 |
| 일반적인 신에너지 차량 비율 | 덜 (<20%) | 80% 이상(주류, 절대적으로 지배적) |
팁: IPM 모터는 로터 설계가 더 복잡하기 때문에 일반적으로 SPM 모터보다 15%-30%가 더 비쌉니다.
요약
고효율, 경량, 넓은 속도 범위, 낮은 에너지 소비에 대한 신에너지 차량의 엄격한 요구사항에 따라 내부 영구 자석 모터(IPM)는 포괄적인 장점으로 인해 주류 구동 솔루션으로 자리 잡은 반면 표면 영구 자석 모터(SPM)는 특정 저중속, 비용에 민감한 또는 보조 모터 시나리오에서만 자리를 지키고 있습니다. IPM의 우위는 향후 몇 년 동안 더욱 공고해질 것이며, 더 높은 효율과 더 낮은 비용을 향한 전기화를 주도할 것입니다.
몇 가지 자주 묻는 질문
영구 자석 동기 모터(PMSM)란 무엇인가요?
영구 자석 동기 모터는 고효율 AC 동기 모터입니다.
SPM과 IPM의 근본적인 차이점은 무엇인가요?
SPM은 로터 표면에 부착되어 있는 반면, IPM은 철심 내부에 내장되어 있습니다. IPM은 기계적 강도, 자계 약화 기능, 릴럭턴스 토크 활용도, 희토류 효율, 자화 저항 등 모든 측면에서 SPM보다 우수합니다.
거의 모든 신에너지 차량이 내부 영구 자석 모터를 사용하는 이유는 무엇일까요?
IPM은 릴럭턴스 토크와 뛰어난 자기장 약화 속도 확장 기능을 통해 새로운 에너지 차량에 필요한 넓은 일정한 토크 및 출력 범위를 쉽게 달성할 수 있습니다.
영구 자석 모터는 자화가 되나요?
예, 하지만 위험은 통제할 수 있으며 정상적인 사용 시 수명은 15~20년에 달할 수 있습니다.
IPM이 SPM보다 얼마나 더 비쌉니까?
IPM 로터는 제조가 더 복잡하기 때문에 초기 비용이 10%-30% 더 높습니다.
IPM 로터는 제조가 더 복잡하기 때문에 초기 비용이 10%-30% 더 높습니다.
국제 희토류 정책의 변화로 인해 희토류를 사용하지 않는 방향으로의 연구 개발이 가속화되고 있지만, 단기적으로는 여전히 IPM이 지배적일 것입니다.
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