EV 모터: 유형, 구조 및 성능 분석

신에너지 차량용 구동 모터의 기본 성능 요구 사항에 따라 일반적으로 사용되는 구동 모터의 유형은 크게 세 가지로 나뉩니다: AC 비동기 모터, 영구 자석 동기 모터, 스위치 릴럭턴스 모터입니다.

현재 다양한 자동차 회사에서 탑재하는 자동차 모델마다 서로 다른 유형의 구동 모터를 사용하고 있습니다.

따라서 새로운 에너지 차량의 모터 유형을 선택하려면 구동 모터의 구조, 작동 원리, 장단점을 이해하는 것이 중요합니다.

I. AC 비동기 모터

1. AC 비동기 모터의 구조

유도 모터라고도 하는 AC 비동기 모터는 주로 고정자, 회전자, 모터 샤프트, 전면 및 후면 베어링, 엔드 커버, 위치 센서, 온도 센서, 저전압 배선 하니스 및 고전압 전원 배선 하네스로 구성됩니다.

고정자는 고정자 철심과 3상 권선으로 구성되며, 로터는 종종 로터 철심과 다람쥐 케이지 권선을 포함하는 다람쥐 케이지 로터를 사용합니다.

모터의 출력에 따라 수냉식 또는 공냉식 중 하나를 선택할 수 있습니다. (그림 1)

1- 프론트 엔드 커버
2- 전면 베어링
3- 모터 하우징
4- 다람쥐 케이지 로터
5- 모터 샤프트
6- 고정자
7- 후면 베어링
8- 후면 엔드 커버
9- 위치 센서
10- 센서 유지보수 커버

2. AC 비동기 모터의 작동 원리

(1) AC 비동기 모터 드라이브의 작동 원리

1) 고정자는 회전 자기장을 제공합니다. 토크를 제공하기 위해 AC 비동기 모터는 고정자 코일에 3상 AC 전원을 통과시켜 지속적으로 회전하는 자기장을 생성해야 합니다(자기장 회전 속도는 ns).

AC 비동기 모터는 고정자의 3상 권선이 대칭이어야 하고 고정자 철심은 전기적으로 120도 간격이 있어야 합니다. 3상 대칭 권선을 통과하는 전류도 동일한 크기, 주파수 및 120도의 위상차를 갖는 대칭이어야 합니다. 회전 자기장의 회전 속도는 방정식 (1)에 의해 주어집니다.

NS=60F/P (1)

이 방정식에서 ns는 회전 자기장의 회전 속도(동기 속도라고도 함)인 r/min, f는 3상 AC 전력의 주파수(Hz), p는 극 쌍의 수입니다.

설계되어 생산에 투입된 구동 모터의 경우 극 쌍의 수가 고정되어 있으므로 자기장 회전 속도를 결정하는 요소는 3상 교류 전력의 주파수입니다. 우리나라의 전력망 주파수는 f=50Hz이므로 모터 속도와 극 쌍의 수 사이에는 선형 관계가 있습니다. (그림 2)

2) 다람쥐 케이지 로터는 와전류를 유도합니다. 고정자가 회전 자기장을 제공하면 그림 3과 같이 다람쥐 케이지 로터 도체에 와전류가 유도됩니다.

다람쥐 케이지 권선의 도체 c와 b 사이의 자기 영역에는 바깥쪽 자기력이 있으며, 이 자기력은 회전하는 자기장의 작용으로 강화됩니다.

따라서 도체 c, b에 i1 와전류가 유도되고, 마찬가지로 도체 a와 도체 b 사이의 자기력선이 약해지면 도체에 i2 와전류가 유도됩니다.

고정자의 회전 자기장의 작용으로 도체 B에 흐르는 전류는 다람쥐 케이지 권선 도체 B에 전자기력을 가하여 로터가 전자기 토크를 생성하고 회전을 시작하게 합니다. 회전하는 로터는 회전하는 자기장을 서서히 따라잡아 자기장의 '동기 속도 ns'보다 약간 느린 속도 n으로 회전합니다.

로터의 회전 속도 n이 고정자의 자기장 속도 ns보다 약간 느린 이 현상을 로터 슬립이라고 합니다. 이 비동기 슬립은 다람쥐 케이지 로터 도체가 자기력선을 지속적으로 절단하여 와전류를 유도합니다.

결과적으로 로터에서 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되어 지속적인 외부 출력을 보장합니다.

(2) AC 비동기 모터의 전력 생성 원리

패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면, 폐쇄회로 도체의 한 부분이 움직이는 자기장 선을 통과하면 도체 내에 유도 전류가 발생하며, 이때 발생하는 기전력을 유도 기전력이라고 합니다.

AC 비동기 모터에서 모터를 발전기로 사용할 때 고정자는 3상 전류로 통전되어 자기장을 제공하고, 회전자 권선은 도체를 제공합니다.

자동차의 구동축과 같은 외부 기계력이 회전자 축을 구동하여 회 전자를 움직이게 할 때 회전자 속도가 고정자 회전 자기장의 동기 속도보다 높으면 AC 비동기 모터가 발전기 역할을 합니다.

회전 자기장을 절단하는 로터의 방향은 구동 모터로 작동할 때와 반대이므로 로터가 유도하는 기전력의 방향도 반대입니다.

발전 과정에서 모터의 로터는 외부의 끄는 힘과 반대되는 전자기 토크를 경험하여 로터 속도가 감소합니다.

3. AC 비동기 모터의 장점, 단점 및 응용 분야

AC 비동기 모터는 넓은 범위에서 조정 가능한 출력 토크를 제공하는 데 탁월하며, 가속 또는 상승 중에 짧은 시간 동안 출력 토크를 강제로 증가시킬 수 있습니다. 영구 자석 동기 모터로 구동되는 전기 자동차는 속도 향상을 위해 토크를 증가시키기 위해 추가 기어박스 메커니즘을 사용하는 경우가 많습니다.

그러나 AC 비동기 모터에는 몇 가지 단점이 있습니다. 일방적인 여기로 인해 더 큰 시동 전류와 생성된 토크 단위당 더 많은 전류가 필요합니다. 고정자에는 무효 여자 전류가 발생하여 영구 자석 동기 모터보다 에너지 소비가 높고 역률이 뒤떨어집니다.

과부하 상태는 고강도 드라이브 중에 자주 발생합니다. 상대적으로 복잡한 구조로 인해 고도의 제어 기술 전문 지식이 필요하기 때문에 제조 비용이 더 많이 들고 전력 밀도가 상대적으로 낮습니다.

현재 미국에서 개발된 전기 자동차의 구동 모터로 AC 비동기 모터가 일반적으로 사용되고 있습니다.

II. 영구 자석 동기 모터

1. 영구 자석 동기 모터의 구조

영구 자석 동기 모터의 구조는 고정자, 회전자, 모터 샤프트, 전면 및 후면 베어링, 엔드 캡, 냉각수 채널, 위치 센서, 온도 센서, 저전압 하네스 및 파워 하네스로 구성됩니다.

고정자는 고정자 철심과 3상 권선으로 구성되며, 회 전자는 영구 자석 극과 철심으로 구성되며 철심은 적층으로 만들어집니다. 실리콘 강판.

로터의 영구 자석 배열에는 주로 표면 장착형, 표면 내장형 및 내부 영구 자석 로터가 있으며, 내부 영구 자석 로터는 일반적으로 새로운 에너지 모터에 사용됩니다. (그림 4)

1- 프론트 엔드 커버
2- 프론트 엔드 베어링
3- 모터 하우징
4- 고정자
5- 모터 샤프트
6- 통합 영구 자석 로터
7- 후면 엔드 베어링
8- 후면 엔드 커버(위치 센서 내장)

2. 영구 자석 동기 모터의 작동 원리 2.

(1) 영구 자석 동기 모터의 구동 원리

회전 자기장은 고정자에 의해 제공되며, AC 비동기 모터와 동일한 방식과 동일한 속도로 생성됩니다. 자극은 로터의 영구 자석에 의해 공급됩니다.

따라서 고정자에 의해 생성된 회전 자기장은 로터의 영구 자석 극과 철심과 함께 회로를 형성합니다. 최소 자기 저항의 원리, 즉 자속이 항상 자기 저항이 가장 적은 경로를 따라 닫히는 원리에 따라 회전자는 회전장의 전자기력에 의해 회전을 하게 됩니다.

결과적으로 영구 자석 로터는 고정자에서 생성된 회전 자기장과 동기적으로 회전하여 모터 샤프트의 회전을 구동합니다.

(2) 영구 자석 동기 모터의 발전 원리

패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 폐쇄 회로 도체의 일부는 3상 고정자 권선에 의해 공급되며, 자기장은 회전자에 있는 영구 자석에 의해 제공됩니다.

외부 토크가 로터를 회전시키면 회전 자기장이 발생하여 3상 고정자 권선의 도체 일부를 절단하고 대칭적인 3상 전류를 유도합니다.

이때 로터의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되고 영구 자석 동기 모터가 발전기 역할을 합니다.

3. 영구 자석 동기 모터의 장점, 단점 및 적용 범위

영구 자석 동기 모터의 장점은 비동기 모터에 비해 작은 크기, 가벼운 무게, 높은 전력 밀도, 낮은 에너지 소비, 낮은 온도 상승, 높은 효율성 등입니다.

요구 사항에 따라 높은 시동 토크, 높은 과부하 용량의 구조화된 모터로 설계할 수 있습니다.

영구 자석 동기 모터는 엄격하게 동기화되고 동적 응답 성능이 우수하여 주파수 제어에 적합하며, 전류와 주파수를 변경하여 모터의 토크와 속도를 넓은 범위에서 조정할 수 있습니다.

그러나 영구 자석 동기 모터에 사용되는 영구 자석 재료는 일반적으로 네오디뮴 철 붕소 강자성 재료로, 상대적으로 부서지기 쉽고 강한 진동에 의해 파손될 수 있습니다.

또한 로터에 영구 자석 소재를 사용하면 모터 작동 시 자기 감쇠와 과열로 인해 출력이 저하될 수 있습니다.

현재 영구 자석 동기 모터는 신에너지 자동차 모터에 널리 사용되고 있으며, 아시아와 유럽의 신에너지 시장에서는 주로 영구 자석 동기 모터를 신에너지 모터로 활용하고 있습니다.

III. 스위치드 릴럭턴스 모터

1. 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조

스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 "스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템"으로도 알려진 전형적인 메카트로닉 모터입니다. 모터는 기본적으로 그림 5와 같이 SRM 자체, 전력 변환기, 로터 위치 센서, 컨트롤러의 네 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.

SRM의 주요 구조는 그림 6과 같이 고정자, 로터, 위치 센서, 전면 및 후면 베어링, 전면 및 후면 엔드 캡, 모터 케이스로 구성됩니다. 고정자는 고정자 코어와 권선으로 구성됩니다.

1- 프론트 엔드 커버
2- 프론트 엔드 베어링
3- 로터
4- 모터 샤프트
5- 고정자
6- 모터 하우징
7- 후면 엔드 베어링
8- 후면 엔드 커버
9- 위치 센서
10- 센서 유지보수 커버
11- 냉각 팬
12- 팬 엔드 커버

고정자 코어와 회전자 모두 돌출극 구조를 사용하며 적층 실리콘 강판으로 구성됩니다. 고정자 돌출 극에는 권선이 장착되어 있는 반면, 회전자에는 권선이나 영구 자석이 없습니다.

3상 6/4 극 구조는 모터의 고정자에 6개의 돌출 극이 있고 회전자에 4개의 돌출 극이 있음을 나타냅니다. 고정자의 두 대칭 돌출 극에 집중된 권선은 직렬로 연결되어 위상을 형성하며, 위상 수는 그림 7(a)와 같이 고정자 돌출 극의 수를 2로 나눈 수와 같습니다.

3상 12/8 극 구조는 모터의 고정자에 12개의 돌출 극이 있고 회전자에 8개의 돌출 극이 있음을 나타냅니다. 고정자의 4개의 대칭 돌출 극에 있는 권선은 직렬로 연결되어 위상을 형성하며, 위상 수는 그림 7(b)와 같이 고정자 돌출 극의 수를 4로 나눈 수와 같습니다.

스위칭 릴럭턴스 모터의 위상이 많을수록 스텝 각도가 작아지고 작동이 부드러워지며 토크 리플을 줄이는 데 유리합니다. 그러나 제어가 더 복잡해져 메인 스위칭 장치의 수와 비용이 증가합니다.

스테핑 각도에 대한 계산은 방정식 (2)에 나와 있습니다:

α = 360° × (고정자 극 수 - 회전자 극 수) / (고정자 극 수)

예를 들어, 3상 6/4극 모터의 경우 스테핑 각도 α = 360° × 2/(6×4) = 30°입니다.

2. 스위치드 릴럭턴스 모터의 작동 원리

(1) 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 원리

그림 8의 3상 12/8 극 SRM의 작동 원리 다이어그램에서 볼 수 있듯이, A상 권선의 전류가 메인 스위치 S1, S2를 닫도록 제어하면 A상에 전원이 공급되고 자화됩니다.

모터 내에서 생성된 자기장력은 OA를 축으로 하는 방사형 자기장을 형성합니다. 이 자기장의 자기력선은 고정자 돌출 극과 회전자 돌출 극 사이의 에어 갭을 통과하는 지점에서 구부러집니다.

이때 자기 회로의 자기 릴럭턴스는 고정자 돌출 극과 회전자 돌출 극이 일치할 때보다 더 큽니다. 따라서 로터 돌출 극은 자기 인력의 작용을 받아 로터 극 축 Oa를 고정자 극 축 OA와 정렬합니다.

이렇게 하면 자기 릴럭턴스 특성의 전자기 토크가 발생하여 로터가 시계 반대 방향으로 회전하기 시작합니다. A상 전류가 차단되고 B상 전원이 설정되면 모터 내의 자기장이 30도 회전합니다.

그런 다음 로터는 전자기 인력의 작용으로 시계 반대 방향으로 15도 더 회전합니다. A-B-C-A 위상 권선에 순차적으로 전원이 공급되면 로터는 계속해서 시계 반대 방향으로 회전합니다.

각 위상의 고정자 권선에 차례로 전원이 공급되면 고정자 자기장은 3×30도 회전하고, 로터는 3×15도(즉, 360도/로터 돌출 극 수)의 로터 극 피치를 회전합니다.

A-C-B-A 위상 권선에 순차적으로 전원이 공급되면 로터가 시계 방향으로 회전합니다. 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전 방향은 전류의 방향과 관련이 없으며 고정자 위상 권선의 전원 켜기 순서에 따라 결정됩니다.

다상 모터의 실제 작동에서는 두 개 이상의 위상 권선에 동시에 전원이 공급되는 것도 일반적입니다.

(2) 스위치드 릴럭턴스 발생기의 작동 원리

스위치 릴럭턴스 발생기의 작동 상태는 그림 10의 위상 인덕턴스 L의 파형에서 볼 수 있듯이 여기 상태, 연속 상태, 발전 상태의 세 가지 조건을 포함합니다.

그림 9에서 각도 θ는 로터 톱니 극 축과 고정자 톱니 슬롯 축 사이의 각도로 정의됩니다. 로터 톱니 극 축이 해당 고정자 톱니 슬롯 축과 정렬되면 위상 인덕턴스가 최소가 됩니다(θ=0°로 정의됨). 권선 위상 인덕턴스는 로터 극의 리딩 에지가 스테이터 극의 트레일링 에지(θ=θ1)와 만날 때까지 Lmin에서 일정하게 유지됩니다.

로터가 계속 회전하고 로터 극이 고정자 극과 겹치기 시작하면 로터 극의 트레일링 에지와 고정자 극의 트레일링 에지가 완전히 정렬될 때까지(이때 θ=θ2) 권선 위상 인덕턴스는 이 영역 내에서 선형적으로 증가하여 최대 Lmax에 도달합니다.

로터 극의 선단이 고정자 극의 선단과 정렬되도록 로터가 계속 회전하면(이때 θ=θ4) 위상 인덕턴스는 Lmax로 유지됩니다.

전자기장의 기본 이론에 따르면, 자기장의 존재는 모터 로터의 전자기 토크를 동반하며, 이는 방정식 (3)으로 나타낼 수 있습니다.

스위치 릴럭턴스 모터의 권선이 θ3과 θ4 사이에서 켜지고 꺼지면 모터는 발전기로 작동합니다. 이때 인덕턴스가 감소하는 영역에 전류가 형성되므로 dL/dθ<0이 됩니다.

이때 위상 권선에 전류가 흐르면 제동 토크(T(θ, i)<0)가 발생합니다. 외부의 기계적 힘이 모터의 회전을 유지하면 모터는 기계적 에너지를 흡수하여 전기 출력으로 변환하여 스위치드 릴럭턴스 모터가 발전기 모드로 작동하고 있음을 나타냅니다.

3. 스위치드 릴럭턴스 모터의 장점, 단점 및 적용 범위

스위치 릴럭턴스 모터의 장점은 간단하고 안정적인 구조, 우수한 시동 성능, 고효율 및 저렴한 비용입니다. 또한 전도, 차단 각도 및 전압을 다양하게 변경하여 광범위한 속도 제어 기능을 제공합니다. 하지만 상당한 토크 리플과 높은 소음이 단점입니다.

현재 전기 사륜 모빌리티 스쿠터와 순찰차 등 일부 소형 전기 구동 차량에 사용되고 있습니다.

IV. 결론

새로운 에너지 차량의 추진 모터에 요구되는 고유한 성능 특성을 고려할 때, 선택되는 구동 모터의 유형은 시장의 여러 모델에 따라 다릅니다.

이 문서에서는 AC 비동기 모터, 영구 자석 동기 모터, 스위치 릴럭턴스 모터 등 일반적으로 사용되는 새로운 에너지 구동 모터의 구조와 작동 원리에 대해 간략하게 설명합니다. 이 정보는 이러한 구동 모터를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

또한 모터 종류에 따라 구조와 원리가 다르기 때문에 적용 범위가 매우 넓습니다. 국가 산업 전략 계획에 따라 친환경 신에너지 자동차의 전기 구동 시스템에 대한 연구는 계속 확대될 것입니다. 이에 따라 모터의 종류와 기술 수준도 계속 발전할 것입니다.