영구자석 동기전동기(PMSM)는 일반 동기전동기와 무엇이 다를까?

전동기를 공부하다 보면 최근 산업설비와 전기자동차, 로봇, 서보시스템에서 자주 등장하는 이름이 있다.

바로 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor), 우리말로 영구자석 동기전동기다.

이름만 보면 기존 동기전동기에 영구자석을 붙인 정도로 생각하기 쉽다.

실제로 기본적인 동기운전 원리는 비슷하다.

고정자에서는 3상 교류전류에 의해 회전자계가 만들어지고, 회전자의 자기장이 그 회전자계와 같은 속도로 따라가면서 토크를 만든다.

그러나 회전자 자계를 만드는 방법에서 큰 차이가 있다.

전통적인 직류여자형 동기전동기는 회전자 계자권선에 직류전류를 공급하여 자극을 만든다.

반면 PMSM은 회전자에 영구자석을 사용한다.

즉 회전자에 별도의 계자전류를 계속 공급하지 않아도 이미 N극과 S극이 형성되어 있다.

이 단순해 보이는 차이가 회전자의 구조, 손실, 효율, 제어방식, 고속운전 특성까지 크게 바꾼다.

PMSM이란 무엇일까?

PMSM은 회전자 자계를 영구자석으로 만드는 동기전동기다.

고정자의 기본구조는 일반적인 3상 교류전동기와 비슷하다.

철심에 3상 권선이 배치되고 이 권선에 서로 120도의 위상차를 가진 전류를 공급하면 회전자계가 만들어진다.

회전자에는 영구자석이 설치되어 있기 때문에 별도의 직류 계자전원 없이도 일정한 자속을 가지고 있다.

고정자의 회전자계가 회전하면 회전자 영구자석은 그 자기장과 정렬하려는 토크를 받는다.

정상적인 동기운전에서는 고정자 회전자계와 회전자가 같은 평균속도로 회전한다.

따라서

Nr = Ns

가 된다.

동기속도는

Ns = 120f / P

로 결정된다.

여기서 f는 고정자 전류의 전기주파수이고 P는 극수다.

따라서 PMSM의 속도를 바꾸려면 일반적으로 고정자에 공급하는 전원의 주파수를 바꿔야 한다.

이 때문에 PMSM은 인버터와 매우 밀접한 관계를 가진다.

일반 동기전동기와 가장 큰 차이는 회전자 자계다

전통적인 직류여자형 동기전동기를 생각해보자.

회전자에는 계자권선이 있고 그 권선에 직류전류 If를 공급한다.

계자전류가 흐르면 회전자 철심에 N극과 S극이 만들어진다.

따라서 회전자 자계를 유지하려면 계속 계자전류가 필요하다.

반면 PMSM에서는 회전자에 영구자석 자체가 설치되어 있다.

영구자석이 이미 자속을 만들어주기 때문에 별도의 계자권선에 직류전류를 흘릴 필요가 없다.

가장 기본적인 차이를 정리하면

일반 직류여자 동기전동기

계자전류 → 회전자 자속 생성

PMSM

영구자석 → 회전자 자속 생성

이다.

계자권선이 없어지면 무엇이 좋아질까?

가장 먼저 회전자의 동손을 줄일 수 있다.

직류여자형 동기전동기의 회전자 계자권선에는 저항이 있다.

따라서 계자전류가 흐르면

Pfield = If²Rf

의 동손이 발생한다.

이 손실은 열로 바뀌어 회전자 온도를 상승시킨다.

PMSM에서는 정상적인 회전자 자계를 만들기 위한 계자전류가 필요하지 않으므로 이런 계자권선 동손이 없다.

따라서 높은 효율을 얻는 데 유리하다.

물론 PMSM의 회전자 손실이 완전히 0이라는 뜻은 아니다.

실제 회전자에는 고조파 자속 등에 의한 철손이나 영구자석 내부의 와전류손실 등이 발생할 수 있다.

하지만 별도의 계자권선에 지속적으로 직류전류를 흘려야 하는 구조가 아니라는 점은 분명한 장점이다.

브러시와 슬립링도 필요 없을까?

직류여자형 동기전동기에서는 회전하는 계자권선에 직류전원을 공급해야 한다.

설계에 따라 슬립링과 브러시를 이용하거나 브러시리스 여자방식을 사용할 수 있다.

슬립링과 브러시를 사용하는 방식에서는 마모와 분진, 접촉상태 관리 등의 유지보수가 필요하다.

PMSM은 회전자 영구자석 자체가 자계를 만들기 때문에 회전자에 계자전원을 전달하기 위한 슬립링과 브러시가 필요하지 않다.

따라서 구조를 단순화하고 유지보수 요소를 줄일 수 있다.

이 점은 고속회전이나 소형 정밀전동기에서도 큰 장점이 된다.

PMSM의 고정자는 어떻게 생겼을까?

PMSM의 고정자는 3상 교류전동기의 고정자와 기본적으로 비슷하다.

규소강판 등을 적층한 철심에 슬롯을 만들고 그 안에 3상 권선을 배치한다.

적층철심을 사용하는 이유는 교번자속에 의해 발생하는 와전류손실을 줄이기 위해서다.

3상 권선에 적절한 전류를 공급하면 고정자 내부에 회전하는 자기장이 형성된다.

이 회전자계가 회전자의 영구자석 자계와 상호작용하면서 전자기토크를 만든다.

따라서 PMSM에서도 고정자의 설계는

권선방식,

극수,

슬롯수,

철심 형상,

공극,

자속밀도

등과 밀접한 관계를 가진다.

회전자는 영구자석을 어디에 넣을까?

PMSM이라고 해서 모든 회전자의 모양이 같은 것은 아니다.

대표적으로 두 가지 형태가 있다.

하나는 영구자석을 회전자 표면에 부착하는 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)이다.

다른 하나는 자석을 회전자 철심 내부에 삽입하는 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이다.

두 방식 모두 영구자석을 이용한다는 점은 같지만 자석의 위치가 다르기 때문에 자기회로와 기계적인 특성, 토크 발생방식에도 차이가 생긴다.

이 차이는 PMSM을 이해하는 데 매우 중요하며 다음 글에서 자세히 살펴볼 부분이다.

PMSM은 어떻게 토크를 만들까?

가장 기본적으로 PMSM의 토크는 회전자 영구자석의 자계와 고정자 회전자계 사이의 상호작용으로 발생한다.

두 자기장이 완전히 같은 방향으로 정렬되어 있다면 회전방향의 토크가 거의 발생하지 않는다.

고정자의 자계가 회전자 자계보다 일정한 각도만큼 앞서도록 만들어야 회전자를 끌고 가는 토크가 형성된다.

이 점은 일반 동기전동기의 토크각 개념과 연결된다.

부하가 커질수록 더 큰 토크가 필요하며 회전자 자계와 고정자 자계 사이의 상대적인 전기각도 역시 토크 발생에 중요한 역할을 한다.

PMSM에서도 토크각이 존재한다

PMSM이라고 해서 동기전동기의 기본적인 토크각 개념이 사라지는 것은 아니다.

회전자 영구자석 자계와 고정자에서 만들어지는 자계 사이에는 적절한 상대위치가 필요하다.

이 상대적인 자계 위치를 제어함으로써 원하는 방향과 크기의 토크를 만들 수 있다.

다만 현대 PMSM은 인버터와 전자제어를 이용하기 때문에 단순한 V와 E의 페이저 관계만으로 운전을 설명하기보다는 d축과 q축 좌표를 이용한 해석이 많이 사용된다.

d축과 q축이 다시 등장한다

앞에서 돌극형 동기전동기를 살펴볼 때 d축과 q축을 설명했다.

PMSM에서도 이 두 축은 매우 중요하다.

일반적으로 d축은 회전자 영구자석의 자속방향과 정렬된 축이다.

q축은 d축에서 전기적으로 90도 떨어진 방향이다.

고정자의 3상전류를 이 두 축 성분으로 변환하면 PMSM의 자속과 토크를 훨씬 쉽게 제어할 수 있다.

보통

id

는 d축 전류,

iq

는 q축 전류

라고 표시한다.

이 두 전류를 적절하게 제어하는 것이 현대 PMSM 제어의 핵심이다.

q축 전류는 토크와 밀접하다

단순한 표면부착형 PMSM에서 돌극효과를 무시하면 전자기토크는 개념적으로

T ∝ λm iq

와 같은 관계를 가진다.

여기서 λm은 영구자석에 의한 자속쇄교, iq는 q축 전류다.

즉 영구자석이 기본적인 자속을 제공하고 q축 전류를 변화시켜 토크를 조절한다고 이해할 수 있다.

전통적인 직류전동기에서

자속 × 전기자전류

가 토크와 연결되는 것과 어느 정도 비슷한 관점으로 생각할 수도 있다.

PMSM의 토크식은 조금 더 깊게 보면

일반적인 PMSM의 전자기토크는 다음과 같은 형태로 표현할 수 있다.

Te = (3/2)p[λm iq + (Ld – Lq)id iq]

여기서

p는 극쌍수,

λm은 영구자석의 자속쇄교,

Ld는 d축 인덕턴스,

Lq는 q축 인덕턴스,

id와 iq는 각각 d축과 q축 전류다.

첫 번째 항은 영구자석과 q축 전류의 상호작용으로 발생하는 자석토크와 관련된다.

두 번째 항은 Ld와 Lq의 차이 때문에 발생하는 릴럭턴스 토크와 관련된다.

따라서 회전자 구조에 따라 PMSM은 영구자석 토크뿐 아니라 릴럭턴스 토크도 함께 사용할 수 있다.

SPMSM과 IPMSM의 토크특성이 다른 이유

표면부착형 PMSM에서는 회전자 표면에 자석이 배치되어 있기 때문에 d축과 q축의 자기적인 차이가 비교적 작게 나타나는 경우가 많다.

따라서 Ld와 Lq의 차이도 상대적으로 작고 영구자석에 의한 토크가 중심이 된다.

반면 매입형 PMSM에서는 자석과 철심의 내부배치 때문에 d축과 q축의 자기경로가 서로 크게 달라질 수 있다.

이 경우 Ld와 Lq의 차이를 이용한 릴럭턴스 토크까지 적극적으로 활용할 수 있다.

그래서 같은 PMSM이라도 회전자 구조에 따라 토크특성과 제어전략이 달라진다.

PMSM은 왜 인버터와 함께 사용할까?

PMSM의 정상회전속도는 고정자 회전자계의 속도와 같다.

회전자계의 속도는 전원의 주파수로 결정된다.

따라서 원하는 속도로 부드럽게 기동하고 운전하려면 공급주파수를 자유롭게 조절할 필요가 있다.

인버터는 직류전압을 원하는 주파수와 전압의 교류로 변환하여 고정자 권선에 공급할 수 있다.

전동기가 정지해 있을 때는 아주 낮은 주파수에서 시작하고 회전자 속도가 증가하면 주파수도 함께 증가시킬 수 있다.

따라서 회전자가 처음부터 고속 회전자계를 따라잡아야 하는 문제가 없다.

일반 동기전동기의 기동문제와 다르다

전통적인 동기전동기를 고정된 50Hz 또는 60Hz 전원에 직접 연결하면 회전자가 정지한 상태에서 회전자계가 매우 빠르게 회전한다.

그래서 충분한 평균 기동토크를 만들기 어렵다.

반면 PMSM은 인버터를 이용하면 고정자 회전자계 자체를 처음에는 천천히 회전시킬 수 있다.

회전자가 그 자계를 따라가기 쉬운 조건을 만든 뒤 속도가 증가함에 따라 주파수를 점차 높인다.

따라서 인버터 기반 PMSM에서는 전통적인 고정주파수 직입기동 동기전동기와 기동방식이 크게 다르다.

다만 모든 PMSM이 어떤 전원에서나 스스로 기동할 수 있다는 뜻은 아니다.

일반적인 PMSM을 상용주파수 전원에 단순 직결하는 방식은 적합하지 않으며, 대부분 적절한 전력전자 제어가 필요하다.

회전자 위치를 왜 알아야 할까?

PMSM에서 큰 토크를 효율적으로 만들려면 고정자 자계를 회전자 자석의 위치에 맞춰 정확하게 만들어야 한다.

회전자의 N극과 S극이 어느 위치에 있는지 모르는데 고정자 전류를 아무 방향으로나 흘리면 원하는 토크를 만들기 어렵다.

따라서 PMSM 제어에서는 회전자 위치정보가 매우 중요하다.

이를 측정하기 위해

엔코더,

리졸버,

홀센서

등을 사용할 수 있다.

또는 전압과 전류 등의 정보를 이용해 회전자 위치를 추정하는 센서리스 제어를 사용하기도 한다.

FOC는 무엇일까?

PMSM에서 자주 등장하는 제어방식이 FOC(Field Oriented Control), 즉 자속기준제어 또는 벡터제어다.

3상 고정자전류를 그대로 제어하면 회전자와 함께 자계가 계속 회전하기 때문에 해석과 제어가 복잡하다.

그래서 좌표변환을 이용해 회전자와 함께 회전하는 d-q 좌표계로 전류를 바꾼다.

그러면 회전하고 있는 교류전류를 마치 직류값처럼 다룰 수 있다.

이 방식으로

자속과 관련된 d축 전류,

토크와 관련된 q축 전류

를 비교적 독립적으로 제어할 수 있다.

이것이 PMSM이 빠르고 정밀한 토크제어를 할 수 있는 중요한 이유 가운데 하나다.

PMSM은 왜 효율이 높은 편일까?

PMSM의 장점으로 높은 효율을 많이 언급한다.

가장 큰 이유 중 하나는 회전자 자계를 만들기 위한 지속적인 계자동손이 없다는 점이다.

유도전동기에서는 회전자 도체에 전류가 유도되면서 회전자 동손이 발생한다.

직류여자형 동기전동기에서는 계자권선의 I²R 손실이 발생한다.

PMSM에서는 영구자석이 회전자 자속을 제공하므로 이러한 여자목적의 회전자 동손을 줄일 수 있다.

그 결과 특히 부분부하 영역에서도 높은 효율을 확보하는 데 유리한 경우가 많다.

출력밀도가 높은 이유

PMSM은 동일한 크기에서 비교적 높은 토크와 출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

영구자석이 강한 자속을 제공하고 회전자에 큰 계자권선을 배치할 필요가 없기 때문이다.

전동기를 작고 가볍게 만들면서 높은 토크를 요구하는 분야에서 특히 유리하다.

이 때문에

전기자동차,

산업용 서보모터,

로봇,

공작기계,

압축기,

고효율 펌프

등 다양한 분야에서 PMSM을 사용한다.

저속에서도 토크제어가 좋은 이유

인버터와 위치제어를 이용하면 PMSM은 매우 낮은 속도에서도 필요한 전류벡터를 만들어 토크를 제어할 수 있다.

유도전동기처럼 토크를 만들기 위해 일정한 기계적 슬립을 반드시 유지해야 하는 구조도 아니다.

따라서 정밀한 위치제어와 속도제어가 필요한 서보분야에 매우 적합하다.

특히 엔코더나 리졸버와 결합하면 회전자 위치를 정확하게 추적하면서 빠르게 토크를 제어할 수 있다.

PMSM에는 슬립이 없을까?

정상적인 동기운전에서는 회전자와 기본파 회전자계의 평균속도가 같다.

따라서 유도전동기처럼 정상적인 토크를 만들기 위한 지속적인 슬립이 필요하지 않다.

즉

Nr = Ns

이다.

하지만 실제 인버터 제어과정에서는 순간적인 속도오차와 각도오차가 존재할 수 있다.

이를 유도전동기의 정상 슬립과 같은 개념으로 생각하면 안 된다.

PMSM의 정상토크는 회전자와 회전자계 사이의 지속적인 속도차가 아니라 자계의 상대적인 각도와 전류벡터 제어에 의해 만들어진다.

영구자석이면 자속을 조절할 수 없는 것 아닐까?

직류여자형 동기전동기는 계자전류를 바꾸면 회전자 자속을 직접 변화시킬 수 있다.

PMSM의 영구자석 자속 자체는 운전 중 전류를 조절한다고 크게 바뀌는 구조가 아니다.

그래서 처음 보면 자속제어가 불가능할 것처럼 보인다.

하지만 인버터를 이용해 d축 전류를 적절하게 흘리면 고정자가 만드는 자속으로 영구자석 자속의 효과를 일부 상쇄할 수 있다.

이를 약계자제어(Field Weakening)와 연결해서 이해할 수 있다.

약계자제어가 필요한 이유

전동기가 빠르게 회전하면 영구자석에 의해 발생하는 역기전력도 증가한다.

대략적으로

E ∝ Φω

이므로 자속이 거의 일정한 PMSM에서는 속도가 높아질수록 역기전력이 증가한다.

인버터가 공급할 수 있는 최대전압에는 한계가 있다.

속도가 충분히 높아져 역기전력이 이 한계에 가까워지면 더 이상 같은 방식으로 속도를 올리기 어렵다.

이때 음의 d축 전류를 사용해 고정자 자속으로 영구자석 자속의 일부를 상쇄하면 결과적인 자속을 줄여 더 높은 속도로 운전할 수 있다.

약계자운전에는 한계가 있다

영구자석 자체의 자속이 실제로 사라지는 것은 아니다.

고정자 전류를 이용해 결과적인 자속을 약하게 만드는 것이다.

따라서 약계자를 위해 추가적인 전류가 필요하고 인버터와 고정자의 전류용량 한계도 고려해야 한다.

또한 영구자석에 지나치게 강한 반대방향 자계를 가하면 자석의 감자 위험도 고려해야 한다.

그래서 PMSM의 고속운전범위는 자석특성과 전동기 구조, 인버터 전압·전류한계를 함께 고려하여 설계한다.

영구자석의 온도도 중요하다

영구자석은 온도의 영향을 받는다.

자석의 종류에 따라 온도가 올라가면 자속밀도가 감소할 수 있다.

허용온도를 지나치게 초과하면 일부 자석은 원래의 자력을 완전히 회복하지 못하는 비가역 감자가 발생할 수도 있다.

그래서 PMSM에서는 고정자 권선온도뿐 아니라 회전자 영구자석의 온도도 중요하다.

특히 높은 부하와 고속운전을 반복하는 전기자동차용 구동모터에서는 회전자 냉각과 자석온도 관리가 매우 중요한 설계요소다.

감자가 발생하면 어떤 문제가 생길까?

영구자석이 감자되면 회전자 자속이 감소한다.

그러면 같은 토크를 만들기 위해 더 많은 고정자전류가 필요할 수 있다.

역기전력 특성도 달라지고 전동기의 토크상수 역시 변할 수 있다.

심한 경우 정상적인 성능을 내지 못하게 된다.

따라서 PMSM에서는

과도한 회전자 온도,

과도한 반대방향 d축 전류,

단락과 같은 큰 과도전류

등이 영구자석에 미치는 영향을 검토해야 한다.

영구자석이면 유지보수가 전혀 없을까?

계자용 브러시와 슬립링이 없다는 것은 큰 장점이다.

하지만 전동기 전체의 유지보수가 필요 없다는 뜻은 아니다.

PMSM에도

베어링,

고정자 권선,

절연,

냉각장치,

엔코더나 리졸버,

인버터

등 여러 구성요소가 있다.

특히 PMSM은 전동기와 인버터, 위치센서와 제어시스템이 하나의 구동시스템처럼 작동한다.

따라서 전동기 자체만 정상이어도 인버터나 센서에 문제가 생기면 정상적인 운전이 어려울 수 있다.

PMSM에서는 인버터 고장이 더 중요할 수 있다

전통적인 상용전원 직결 전동기에서는 전원만 정상적으로 공급되면 비교적 독립적으로 운전할 수 있는 경우가 많다.

하지만 PMSM은 대부분 인버터 제어에 의존한다.

따라서

전력반도체,

DC 링크,

전류센서,

위치센서,

제어보드,

게이트 드라이버

등의 상태도 매우 중요하다.

예를 들어 회전자 위치가 잘못 검출되면 고정자 전류벡터의 방향도 틀어질 수 있다.

그 결과 토크감소와 진동, 과전류가 발생할 수 있다.

역기전력도 주의해야 한다

PMSM의 회전자는 영구자석을 가지고 있다.

따라서 전동기의 전원이 차단되어 있어도 외부에서 축을 돌리면 고정자 권선에 전압이 유기될 수 있다.

즉 영구자석 발전기와 같은 원리로 역기전력이 발생한다.

고속으로 회전하고 있는 PMSM을 정비하거나 인버터를 분리할 때는 이 점을 고려해야 한다.

전원이 꺼졌다고 해서 회전 중인 전동기의 단자전압이 항상 0이라고 생각하면 안 된다.

PMSM은 발전기로도 동작할 수 있다

동기전동기 역시 가역적인 전기기기다.

외부 기계력이 회전자를 구동하여 전기적인 에너지 흐름을 반대로 만들면 발전기 동작이 가능하다.

전기자동차의 회생제동이 대표적인 예다.

차량의 관성으로 바퀴가 전동기를 돌리면 PMSM은 발전기로 동작하고 생성된 전기에너지를 인버터를 통해 배터리로 돌려보낼 수 있다.

즉 하나의 PMSM이

가속할 때는 전동기,

감속할 때는 발전기

역할을 할 수 있다.

일반 동기전동기와 PMSM의 여자방식 차이

일반 직류여자형 동기전동기는 계자전류를 조절할 수 있다.

그래서 부족여자와 과여자 상태를 만들고 고정자 측의 무효전력과 역률을 조절할 수 있다.

PMSM은 회전자 자속을 영구자석이 제공하기 때문에 전통적인 의미의 계자전류를 자유롭게 조절할 수 없다.

따라서 직류여자형 동기전동기에서 배운

계자전류 증가,

과여자,

동기조상기

와 같은 개념을 그대로 PMSM에 적용하면 안 된다.

PMSM의 전류와 무효전력 특성은 인버터의 d-q축 전류제어를 중심으로 이해하는 것이 적절하다.

PMSM이 무조건 일반 동기전동기보다 좋은 것은 아니다

PMSM은 효율과 출력밀도에서 큰 장점을 가진다.

그러나 단점도 존재한다.

첫 번째는 영구자석의 비용이다.

고성능 PMSM에는 네오디뮴계와 같은 강력한 영구자석이 사용되는 경우가 많다.

이러한 자석의 가격과 원료공급은 전동기 비용에 영향을 줄 수 있다.

두 번째는 온도와 감자문제다.

세 번째는 자석을 회전자에 안전하게 고정해야 한다는 점이다.

특히 고속회전에서는 영구자석에 큰 원심력이 작용한다.

네 번째는 인버터와 정밀한 제어가 사실상 필수적인 경우가 많다는 점이다.

따라서 전동기 하나만 놓고 비교하기보다 전체 구동시스템을 함께 봐야 한다.

고속 PMSM에서는 자석 고정이 특히 중요하다

회전속도가 증가하면 회전자 부품에 작용하는 원심력도 크게 증가한다.

개념적으로

F ∝ mrω²

이므로 속도가 증가할수록 영구자석을 회전자에 고정하는 기계적인 설계가 중요해진다.

표면부착형 PMSM에서는 자석이 회전자 외곽에 위치하기 때문에 고속운전에서 자석고정이 특히 중요할 수 있다.

보강슬리브나 밴드 등을 이용해 자석을 고정하는 설계를 사용할 수 있다.

반면 매입형 PMSM은 자석이 철심 내부에 들어가 있어 고속회전에서 기계적으로 유리한 부분이 있다.

이 차이는 다음 글에서 자세히 살펴본다.

PMSM의 장점을 정리하면

PMSM의 대표적인 장점은 높은 효율이다.

회전자 자계를 만들기 위한 지속적인 계자동손이 없기 때문이다.

또한 높은 토크밀도와 출력밀도를 얻기에 유리하다.

회전자에 브러시나 계자용 슬립링이 필요하지 않아 유지보수 요소도 줄어든다.

인버터와 벡터제어를 이용하면 빠르고 정밀한 토크와 속도제어도 가능하다.

그래서 높은 효율과 정밀제어가 동시에 필요한 분야에서 널리 사용된다.

PMSM의 단점을 정리하면

영구자석 가격이 높을 수 있고 자석의 온도와 감자특성을 고려해야 한다.

영구자석이 항상 자속을 만들기 때문에 고속에서 발생하는 역기전력 관리도 중요하다.

광범위한 속도제어를 위해서는 인버터와 약계자제어가 필요하다.

회전자 위치정보가 중요하기 때문에 센서나 정교한 센서리스 알고리즘도 필요할 수 있다.

즉 전동기 자체는 효율적이고 단순해지는 부분이 있지만 전체 제어시스템은 오히려 복잡해질 수 있다.

일반 동기전동기와 비교하면

직류여자형 동기전동기는 회전자에 계자권선을 사용한다.

계자전류를 조절할 수 있기 때문에 회전자 자속을 적극적으로 바꿀 수 있고 무효전력과 역률도 조절할 수 있다.

하지만 계자권선 손실이 발생하고 여자장치가 필요하다.

PMSM은 영구자석이 회전자 자계를 만든다.

계자손실을 줄이고 높은 효율과 출력밀도를 얻을 수 있지만 자석자속 자체를 계자전류처럼 자유롭게 바꿀 수는 없다.

대신 인버터를 이용해 고정자 전류벡터를 제어한다.

따라서 두 전동기의 핵심 차이는 단순히 자석이 있느냐 없느냐가 아니라 회전자 자계를 어떻게 만들고 어떻게 제어하느냐에 있다.

유도전동기와 비교하면

유도전동기는 회전자에 영구자석이나 별도의 직류계자가 필요하지 않는다.

고정자 회전자계와 회전자 사이의 상대속도에 의해 회전자전류가 유도되고 그 전류가 토크를 만든다.

따라서 정상적인 전동기 운전에는 슬립이 필요하다.

PMSM은 회전자 영구자석이 이미 자계를 가지고 있다.

정상적인 동기운전에서는 회전자와 고정자 기본파 회전자계가 같은 평균속도로 회전한다.

그래서 회전자 동손을 줄이고 높은 효율을 얻기 유리하다.

반면 정밀한 인버터 제어의 중요성은 훨씬 커진다.

현장에서 PMSM을 볼 때 무엇을 확인해야 할까?

PMSM 구동시스템에서는 전동기 전류만 보는 것으로 충분하지 않을 수 있다.

운전상태를 파악하려면

고정자 전류,

DC 링크 전압,

인버터 출력주파수,

회전자 속도,

회전자 위치,

토크지령,

권선온도,

자석 또는 회전자 온도 추정값,

인버터 온도

등을 함께 볼 수 있다.

특히 과열과 위치센서 이상은 전동기 성능에 직접 영향을 줄 수 있다.

전류가 증가했다고 기계부하만 의심하면 안 된다

PMSM에서는 제어방식과 운전영역에 따라 d축과 q축 전류가 서로 다르게 변화할 수 있다.

예를 들어 고속 약계자영역에서는 토크만 만들기 위한 전류 외에도 자속을 약화시키기 위한 d축 전류가 필요할 수 있다.

따라서 같은 기계출력이라도 저속 운전과 고속 약계자운전에서 전체 고정자전류의 구성은 달라질 수 있다.

전류만 보고 부하상태를 단순하게 판단하기보다 인버터가 어떤 제어영역에서 운전 중인지 함께 보는 것이 좋다.

PMSM을 한 흐름으로 이해하면

인버터가 3상 고정자전류를 공급한다.

→ 고정자에 회전자계 형성

→ 회전자 영구자석 자계와 상호작용

→ 전자기토크 발생

→ 회전자가 고정자 회전자계와 동기하여 회전

→ q축 전류를 조절하여 토크 변화

→ 주파수를 조절하여 회전속도 변화

→ 고속에서는 필요에 따라 d축 전류로 약계자제어

라는 흐름이다.

즉 PMSM은 영구자석만으로 움직이는 전동기가 아니다.

영구자석은 회전자 자속을 제공하고 실제 토크와 속도는 고정자 전류를 만들어주는 인버터와 제어시스템이 함께 결정한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, PMSM은 단순히 직류전동기에 영구자석을 넣은 전동기가 아니다.

3상 고정자 회전자계와 회전자 영구자석이 동기하여 운전하는 동기전동기다.

둘째, PMSM의 정상운전에는 유도전동기처럼 지속적인 슬립이 필요하지 않는다.

셋째, 영구자석이 있다고 해서 인버터 없이 모든 상황에서 스스로 기동할 수 있는 것은 아니다.

넷째, PMSM에는 회전자 계자동손이 없지만 회전자 손실이 완전히 0인 것은 아니다.

다섯째, 영구자석 자속은 직류여자형 동기전동기의 계자전류처럼 자유롭게 조절할 수 없다.

여섯째, 고속운전에서는 음의 d축 전류를 이용한 약계자제어를 사용할 수 있다.

일곱째, 영구자석은 온도와 강한 반대자계에 의해 감자될 수 있다.

여덟째, PMSM도 외부에서 축을 돌리면 발전기로 동작할 수 있다.

아홉째, SPMSM과 IPMSM은 같은 PMSM이지만 회전자 구조와 토크특성이 서로 다르다.

열째, PMSM의 성능은 전동기 자체뿐 아니라 인버터와 위치검출, 제어알고리즘까지 포함해 판단해야 한다.

마무리

영구자석 동기전동기인 PMSM은 회전자 자계를 영구자석으로 만드는 동기전동기다.

전통적인 직류여자 동기전동기는 계자권선에 직류전류를 공급해 회전자 자계를 만들지만 PMSM은 영구자석 자체가 N극과 S극을 형성한다.

이 때문에 회전자 계자권선의 동손을 줄일 수 있고 계자용 브러시와 슬립링도 필요하지 않다.

그 결과 높은 효율과 출력밀도, 비교적 단순한 회전자 구조를 얻을 수 있다.

하지만 PMSM이 단순한 전동기라는 뜻은 아니다.

원하는 토크와 속도를 만들기 위해서는 고정자의 전류와 자계방향을 회전자 영구자석 위치에 맞춰 정밀하게 제어해야 한다.

그래서 대부분의 PMSM은 인버터와 함께 사용되며 d축과 q축 전류를 이용하는 벡터제어가 중요한 역할을 한다.

또한 영구자석의 온도와 감자, 고속에서의 역기전력, 자석고정, 인버터와 위치센서 등의 문제도 함께 고려해야 한다.

결국 PMSM과 일반 동기전동기의 가장 큰 차이는

회전자 자계를 계자전류로 만들 것인가, 영구자석으로 만들 것인가

에 있다.

그리고 그 차이는 단순한 회전자 구조를 넘어

효율, 손실, 유지보수, 토크제어, 속도제어와 전체 구동시스템의 구조까지 바꾼다.

다음 글에서는 PMSM을 다시 두 종류로 나누어 살펴본다.

영구자석을 회전자 표면에 붙이는 SPMSM과 회전자 내부에 삽입하는 IPMSM은 왜 서로 다른 구조를 사용하는지, 자석 위치가 d축·q축 인덕턴스와 릴럭턴스 토크, 고속운전에 어떤 차이를 만드는지 자세히 알아본다.