PMSM의 SPMSM과 IPMSM은 무엇이 다를까? 자석 위치와 토크 특성의 차이

영구자석 동기전동기인 PMSM은 회전자에 영구자석을 사용한다.

하지만 모든 PMSM의 자석이 같은 위치에 설치되는 것은 아니다.

자석을 회전자 표면에 붙이는 방식이 있고, 회전자 철심 내부에 넣는 방식도 있다.

회전자 표면에 영구자석을 부착한 구조를 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)이라고 한다.

반대로 영구자석을 회전자 철심 내부에 삽입한 구조를 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이라고 한다.

두 방식 모두 영구자석이 회전자 자속을 만들고 고정자의 회전자계와 동기하여 회전한다는 기본원리는 같다.

하지만 자석의 위치 하나가 바뀌면서 자기회로와 인덕턴스, 토크 발생방식, 고속운전 특성, 기계적인 강도와 제어방법까지 달라진다.

따라서 SPMSM과 IPMSM의 차이는 단순히

“자석이 밖에 있느냐, 안에 있느냐”

정도로만 이해하기보다 자석의 위치가 전동기의 자기회로를 어떻게 바꾸는지부터 살펴보는 것이 중요하다.

SPMSM이란 무엇일까?

SPMSM은 영구자석을 회전자 철심의 바깥쪽 표면에 부착하는 구조다.

회전자 둘레를 따라 N극과 S극 영구자석을 번갈아 배치한다.

고정자의 3상 권선에 전류를 공급하면 회전자계가 만들어지고, 이 회전자계와 회전자 영구자석의 자계가 상호작용하면서 토크가 발생한다.

자석이 공극과 가까운 위치에 있기 때문에 영구자석에서 발생한 자속을 비교적 직접적으로 고정자와 연결할 수 있다.

구조 자체도 직관적이다.

회전자 철심,

표면 영구자석,

고정자 철심과 권선

으로 구성되므로 PMSM의 기본적인 작동원리를 이해하기에는 SPMSM이 비교적 쉽다.

IPMSM이란 무엇일까?

IPMSM은 영구자석을 회전자 표면에 붙이지 않고 회전자 철심 내부에 삽입하는 구조다.

자석은 회전자 내부에 일자 형태로 배치될 수도 있고 V자나 여러 층으로 배치될 수도 있다.

따라서 겉에서 보기에는 회전자 표면이 비교적 매끄럽지만 내부에는 영구자석과 철심, 자속이 지나가는 경로가 복잡하게 설계되어 있다.

IPMSM의 중요한 특징은 영구자석이 만드는 토크뿐 아니라 회전자 철심의 자기적인 비대칭을 이용한 릴럭턴스 토크까지 활용할 수 있다는 점이다.

이 차이를 이해하려면 다시 d축과 q축을 살펴봐야 한다.

d축과 q축은 무엇을 의미할까?

PMSM에서 d축은 일반적으로 회전자 영구자석의 자속방향과 일치하는 축이다.

q축은 d축에서 전기적으로 90도 떨어진 방향이다.

고정자의 3상 전류를 회전자와 함께 회전하는 d-q 좌표로 바꾸면 전동기의 자속과 토크를 분석하기 쉬워진다.

d축 전류는

id

q축 전류는

iq

라고 표시한다.

인덕턴스 역시

d축 인덕턴스 Ld

q축 인덕턴스 Lq

로 나누어 생각한다.

SPMSM과 IPMSM의 중요한 차이 가운데 하나가 바로 이 Ld와 Lq의 관계다.

SPMSM에서는 왜 Ld와 Lq가 비슷할까?

SPMSM에서는 영구자석이 회전자 표면에 비교적 균일하게 배치되어 있다.

영구자석의 투자율은 철심보다 매우 작기 때문에 자기적인 관점에서는 공극과 비슷한 특성을 보이는 부분이 있다.

회전자 방향에 따른 자기회로의 차이가 완전히 없는 것은 아니지만, 기본적인 SPMSM에서는 d축과 q축의 자기적인 차이가 IPMSM만큼 크지 않다.

그래서 단순화된 해석에서는

Ld ≈ Lq

로 보는 경우가 많다.

Ld와 Lq의 차이가 작다는 것은 회전자 위치에 따른 자기저항의 차이도 비교적 작다는 뜻이다.

결과적으로 SPMSM에서는 릴럭턴스 토크보다 영구자석 자체가 만들어주는 토크가 주된 역할을 한다.

다만 실제 전동기에서는 자기포화나 슬롯형상 등의 영향 때문에 Ld와 Lq가 완전히 같지는 않을 수 있다.

IPMSM에서는 왜 Ld와 Lq가 다를까?

IPMSM에서는 영구자석과 철심이 회전자 내부에 배치되어 있다.

d축 방향과 q축 방향으로 자속이 지나갈 때 만나는 자기경로가 서로 달라진다.

한 방향에서는 자속이 영구자석이나 자속장벽과 같은 낮은 투자율 영역을 많이 통과하고, 다른 방향에서는 철심을 상대적으로 많이 통과할 수 있다.

그래서 두 방향의 인덕턴스가 달라진다.

많은 전통적인 IPMSM 설계에서는

Lq > Ld

의 관계가 나타난다.

이를 회전자의 돌극성(Saliency)이라고 한다.

다만 모든 IPMSM이 반드시 같은 Ld와 Lq 관계를 가지는 것은 아니다. 자석배치와 회전자 형상에 따라 특성은 달라질 수 있다.

중요한 것은 IPMSM이 의도적으로 d축과 q축의 자기특성을 다르게 만들 수 있다는 점이다.

토크식을 보면 차이가 명확해진다

PMSM에서도 토크는 회전자 자계와 고정자 자계의 상대적인 위치와 관련이 있다. 이때 두 자계 사이의 각도 개념은 일반 동기전동기에서 배운 토크각과 연결해서 이해할 수 있다.

PMSM의 전자기토크는 대표적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

Te = (3/2)p[λm iq + (Ld – Lq)id iq]

여기서

p는 극쌍수,

λm은 영구자석에 의한 자속쇄교,

id는 d축 전류,

iq는 q축 전류,

Ld는 d축 인덕턴스,

Lq는 q축 인덕턴스다.

이 식에서 토크는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

첫 번째 항인

λm iq

는 영구자석 자속과 q축 전류의 상호작용으로 발생하는 자석토크다.

두 번째 항인

(Ld – Lq)id iq

는 d축과 q축의 인덕턴스 차이에서 발생하는 릴럭턴스 토크다.

SPMSM과 IPMSM의 토크특성이 달라지는 이유가 이 식 안에 그대로 나타나 있다.

SPMSM은 자석토크가 중심이다

SPMSM에서

Ld ≈ Lq

라고 가정하면

Ld – Lq ≈ 0

이 된다.

그러면 릴럭턴스 토크성분은 매우 작아진다.

결과적으로 기본적인 SPMSM의 토크는

Te ∝ λm iq

처럼 생각할 수 있다.

영구자석이 자속을 제공하고 q축 전류를 증가시키면 토크가 증가하는 구조다.

이 때문에 SPMSM의 기본적인 토크제어는 비교적 직관적이다.

IPMSM은 두 가지 토크를 함께 이용한다

IPMSM에서는 Ld와 Lq가 서로 다르다.

예를 들어 일반적인 설계에서

Lq > Ld

이고 양의 q축 전류를 사용한다고 하자.

이때 적절한 음의 d축 전류를 함께 사용하면

(Ld – Lq)id iq

항이 양의 토크를 만드는 방향으로 작용할 수 있다.

즉 IPMSM은

영구자석 토크 + 릴럭턴스 토크

를 동시에 이용할 수 있다.

같은 영구자석을 사용하더라도 회전자 철심구조를 이용해 추가적인 토크를 얻을 수 있다는 뜻이다.

릴럭턴스 토크는 왜 발생할까?

자기회로는 자기저항이 작은 방향으로 정렬되려는 성질을 가진다.

IPMSM 회전자에서는 방향에 따라 자기저항이 다르다.

따라서 고정자에서 자계가 만들어지면 회전자는 자기적으로 더 안정적인 위치로 정렬되려는 힘을 받는다.

이때 발생하는 회전방향의 힘이 릴럭턴스 토크다.

즉 IPMSM의 회전자는 영구자석 때문에만 토크를 만드는 것이 아니다.

회전자 철심의 모양 자체도 토크 발생에 참여한다.

이 개념은 이후에 살펴볼 동기 릴럭턴스 전동기의 기본원리와도 직접 연결된다.

MTPA 제어는 왜 필요할까?

IPMSM을 다룰 때 자주 등장하는 용어가 MTPA(Maximum Torque Per Ampere)다.

쉽게 말하면

같은 전류를 사용하면서 가능한 한 큰 토크를 얻는 운전점

을 찾는 제어다.

전동기 권선의 동손은

Pcu = 3I²R

과 관련된다.

따라서 같은 토크를 만들 수 있다면 전류가 작을수록 동손과 발열을 줄이는 데 유리하다.

IPMSM에서는 id와 iq를 적절하게 조절하면 자석토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 이용할 수 있다.

그래서 단순히 iq만 증가시키기보다 두 전류의 조합을 최적화하여 같은 전류에서 더 큰 토크를 얻는다.

이것이 MTPA 제어의 기본적인 목적이다.

SPMSM에서는 id를 0으로 두면 될까?

단순한 SPMSM에서

Ld ≈ Lq

이고 자기포화 등의 복잡한 영향을 무시한다면 기저속도 이하의 기본적인 토크제어에서

id ≈ 0

으로 두는 것이 대표적인 운전방법이다.

고정자 전류를 대부분 q축 전류로 사용해 영구자석 토크를 만드는 것이다.

하지만 실제 전동기에서는 포화와 손실, 제어목표 등에 따라 최적점이 완전히 id=0과 일치하지 않을 수도 있다.

따라서 이것은 SPMSM의 기본원리를 이해하기 위한 대표적인 설명으로 보는 것이 좋다.

IPMSM은 왜 음의 id를 사용할까?

많은 IPMSM에서는 Lq가 Ld보다 크다.

이 조건에서 양의 iq와 음의 id를 적절히 조합하면 릴럭턴스 토크를 양의 방향으로 추가할 수 있다.

그래서 MTPA 영역에서도 음의 id를 사용하는 경우가 많다.

전동기가 고속으로 올라가면 음의 id는 또 다른 역할을 하게 된다.

바로 약계자 운전이다.

즉 IPMSM에서 d축 전류는 단순히 자속을 약화시키는 전류가 아니라 저속·중속에서는 릴럭턴스 토크 최적화에도 관여할 수 있다.

자석을 안쪽에 넣으면 왜 고속운전에 유리할까?

회전속도가 증가하면 회전자에 작용하는 원심력도 커진다.

개념적으로

F = mrω²

와 관련되므로 회전속도 ω가 커질수록 원심력의 영향은 매우 빠르게 증가한다.

SPMSM의 영구자석은 회전자 가장 바깥쪽에 있다.

따라서 고속회전에서는 자석이 회전자 밖으로 떨어져 나가려는 큰 힘을 받는다.

이 때문에 고속용 SPMSM에서는 자석을 단순한 접착제만으로 고정하지 않고 보강용 슬리브나 밴드를 사용하는 설계가 필요할 수 있다.

IPMSM에서는 영구자석이 회전자 철심 안쪽에 들어가 있다.

회전자 철심 자체가 자석을 기계적으로 지지하는 구조를 만들 수 있기 때문에 고속회전에 유리한 측면이 있다.

IPMSM이라고 기계적인 문제가 없는 것은 아니다

자석이 안에 있다고 해서 고속회전 문제가 사라지는 것은 아니다.

IPMSM 회전자에는 자석을 넣기 위한 여러 개의 공간과 자속장벽이 존재한다.

이 구조 때문에 철심의 일부가 얇아질 수 있다.

고속으로 회전하면 이 얇은 철심부분에도 큰 응력이 발생한다.

따라서 IPMSM은 전자기설계뿐 아니라 회전체의 기계적인 응력해석도 매우 중요하다.

좋은 IPMSM 설계는

자기특성,

토크,

원심응력,

진동,

제작성

을 함께 만족해야 한다.

약계자 운전이 필요한 이유

PMSM은 영구자석이 회전자 자속을 만들기 때문에 속도가 증가하면 역기전력도 증가한다.

기본적으로

E ∝ Φω

라고 볼 수 있다.

영구자석 자속 Φ가 거의 일정하다면 회전속도 ω가 올라갈수록 역기전력 E도 증가한다.

하지만 인버터가 출력할 수 있는 전압에는 한계가 있다.

속도가 계속 올라가 역기전력이 인버터의 최대전압에 가까워지면 더 이상 같은 방법으로 속도를 증가시키기 어렵다.

이때 음의 d축 전류를 사용하여 고정자가 만드는 자속으로 영구자석 자속의 일부를 상쇄한다.

이를 약계자제어(Field Weakening)라고 한다.

SPMSM도 약계자 운전이 가능하다

약계자제어가 IPMSM만 가능한 것은 아니다.

SPMSM에서도 음의 d축 전류를 사용해 결과적인 자속을 줄이고 고속운전영역을 확장할 수 있다.

다만 SPMSM은 돌극성이 작고 자석자속이 공극에 직접적으로 작용하기 때문에 넓은 고속영역을 확보하는 설계에서는 제약이 커질 수 있다.

반면 IPMSM은 회전자 돌극성과 인덕턴스를 함께 활용할 수 있기 때문에 넓은 속도범위를 요구하는 용도에서 유리한 경우가 많다.

기저속도와 고속영역

PMSM의 운전영역은 대략 기저속도를 기준으로 나누어 생각할 수 있다.

기저속도 이하에서는 인버터 전압여유가 충분하므로 필요한 토크를 만드는 데 전류를 집중할 수 있다.

이 영역은 일반적으로 정토크 영역과 연결된다.

속도가 계속 증가해 전압한계에 가까워지면 약계자 운전으로 들어간다.

속도가 더 올라갈수록 동일한 토크를 계속 유지하기 어려워지고 출력이 비교적 일정하게 유지되는 정출력 영역으로 이어질 수 있다.

전기자동차처럼

저속에서는 큰 토크,

고속에서는 넓은 속도범위

가 모두 필요한 시스템에서 이러한 특성이 중요하다.

전기자동차에 IPMSM이 많이 사용되는 이유

자동차용 구동모터는 운전조건이 매우 넓다.

출발할 때는 큰 토크가 필요하다.

고속도로에서는 높은 회전속도가 필요하다.

가속과 감속이 반복되고 회생제동도 사용한다.

또한 모터 크기와 무게를 줄이면서 높은 출력밀도와 효율을 확보해야 한다.

IPMSM은 영구자석 토크와 릴럭턴스 토크를 함께 활용할 수 있고 넓은 속도영역을 설계하기 유리하다.

그래서 전기자동차와 하이브리드 차량의 구동모터에 IPMSM 계열 구조가 많이 활용된다.

그렇다고 모든 전기자동차가 IPMSM을 사용하는 것은 아니다.

차량의 설계목표와 비용, 자석사용량, 효율, 최고속도 등에 따라 다른 전동기 방식도 사용될 수 있다.

SPMSM은 어디에 유리할까?

SPMSM은 구조가 비교적 단순하고 자석토크를 직접 이용하기 좋다.

또한 토크제어 특성이 비교적 직관적이어서 정밀한 제어가 필요한 서보시스템과 다양한 산업용 구동장치에서 사용할 수 있다.

특히 매우 넓은 고속영역보다

정밀한 토크,

속도제어,

낮은 토크리플,

간결한 회전자 자기구조

등이 중요한 경우 SPMSM의 장점이 커질 수 있다.

다만 실제 적용은 모터의 출력과 속도, 자석구조에 따라 매우 다양하다.

자석 사용량은 어느 쪽이 더 적을까?

IPMSM이라고 해서 항상 자석을 적게 사용하고 SPMSM이라고 해서 항상 많이 사용하는 것은 아니다.

자석사용량은

필요한 토크,

자속밀도,

자석재질,

회전자 구조,

공극,

냉각,

목표효율

등에 따라 달라진다.

IPMSM에서는 자속을 집중시키는 구조를 이용해 비교적 낮은 자속밀도를 가진 자석을 효과적으로 활용하는 설계도 가능하다.

반대로 높은 토크밀도를 위해 희토류 영구자석을 사용하는 설계도 많다.

따라서 자석위치만 보고 자석 사용량을 단정하면 안 된다.

영구자석의 감자는 두 방식 모두 주의해야 한다

영구자석은 높은 온도나 강한 반대방향 자계에 노출되면 자력이 감소할 수 있다.

특히 허용범위를 넘어가면 자력이 완전히 회복되지 않는 비가역 감자가 발생할 수 있다.

SPMSM은 자석이 회전자 표면에 있기 때문에 고정자에서 발생하는 자속과 고조파의 영향을 비교적 직접적으로 받을 수 있다.

IPMSM은 자석이 철심 내부에 있어 기계적으로 보호되는 장점이 있지만 내부에 있기 때문에 자석의 열을 밖으로 빼내는 문제가 설계상 중요할 수 있다.

결국 어느 구조든 영구자석의 온도와 감자한계를 반드시 고려해야 한다.

자석 온도가 올라가면 무엇이 달라질까?

영구자석의 온도가 증가하면 일반적으로 자속특성이 변한다.

자석자속이 감소하면 전동기의 역기전력과 토크상수에도 영향을 줄 수 있다.

같은 토크를 얻기 위해 더 많은 고정자전류가 필요할 수도 있다.

전류가 증가하면 고정자 동손이 증가하고 다시 온도가 올라가는 악순환으로 이어질 가능성도 있다.

따라서 고성능 PMSM에서는 고정자 권선온도뿐 아니라 회전자와 영구자석의 열적 상태까지 고려한다.

토크리플과 코깅토크도 다를 수 있다

영구자석 전동기에서는 회전자 자석과 고정자 슬롯 사이의 자기적인 상호작용 때문에 코깅토크(Cogging Torque)가 발생할 수 있다.

전류를 공급하지 않아도 회전자가 특정 위치로 정렬되려는 토크가 나타나는 현상이다.

또한 자속분포와 권선배치가 이상적인 정현파가 아니면 토크리플이 발생할 수 있다.

SPMSM과 IPMSM은 회전자 자속분포가 서로 다르기 때문에 토크리플과 소음·진동 특성도 달라질 수 있다.

실제 설계에서는

자석 형상,

스큐,

슬롯·극수 조합,

자석 분할,

전류제어

등을 이용해 이러한 영향을 줄인다.

IPMSM의 구조가 복잡한 이유

IPMSM 회전자 내부를 보면 단순히 영구자석 몇 개를 넣은 것보다 훨씬 복잡한 경우가 많다.

자석이 V자 형태로 배치되거나 여러 층으로 설치될 수 있고 자속장벽이 만들어지기도 한다.

이렇게 복잡하게 만드는 이유는 하나의 목표만 있기 때문이 아니다.

설계자는 동시에

영구자석 토크,

릴럭턴스 토크,

역기전력,

약계자 특성,

회전자 기계강도,

토크리플,

자석사용량

등을 조절해야 한다.

즉 IPMSM 회전자 형상 자체가 전동기의 성능을 결정하는 매우 중요한 설계변수다.

SPMSM은 구조가 단순하니 항상 저렴할까?

반드시 그렇지는 않다.

회전자 철심구조는 단순할 수 있지만 표면 영구자석을 고속에서 안전하게 고정해야 한다.

고성능 자석과 보강슬리브를 사용하면 제조비용이 올라갈 수 있다.

또한 원하는 토크리플과 역기전력 파형을 얻기 위해 자석 형상을 정밀하게 가공할 수도 있다.

따라서 구조가 단순하다는 것과 전체 전동기 가격이 항상 싸다는 것은 별개의 문제다.

제어방식에서도 차이가 있다

SPMSM과 IPMSM 모두 일반적으로 인버터와 벡터제어를 사용한다.

그러나 최적의 전류제어 방법은 다를 수 있다.

SPMSM은 기본적인 운전영역에서 id를 거의 0으로 두고 iq를 토크에 맞춰 조절하는 방식으로 설명하기 쉽다.

IPMSM은 d축과 q축의 인덕턴스 차이를 적극적으로 이용하므로 id와 iq를 동시에 최적화하는 것이 중요하다.

저속·중속 영역에서는 MTPA,

고속 영역에서는 약계자,

더 높은 영역에서는 전압과 전류한계를 동시에 고려하는 제어

등이 필요할 수 있다.

따라서 IPMSM은 회전자 구조가 복잡할 뿐 아니라 제어전략에서도 보다 많은 요소를 고려해야 한다.

위치센서는 두 방식 모두 중요하다

PMSM의 토크는 회전자 자석 위치와 고정자 전류벡터 사이의 관계에 의해 결정된다.

따라서 SPMSM과 IPMSM 모두 회전자 위치를 정확하게 알아야 한다.

엔코더나 리졸버를 사용할 수도 있고 센서리스 방식으로 회전자 위치를 추정할 수도 있다.

특히 IPMSM은 돌극성을 이용해 저속 또는 정지 부근의 회전자 위치를 추정하는 제어기법에 활용할 수 있는 특성을 가지기도 한다.

하지만 실제 센서리스 성능은 전동기의 구조와 제어알고리즘에 따라 달라진다.

현장에서 두 전동기를 구분할 수 있을까?

완성된 전동기의 외형만 보고 SPMSM인지 IPMSM인지 구분하기는 어려울 수 있다.

두 방식 모두 외부에서는 일반적인 AC 전동기와 비슷하게 보일 수 있기 때문이다.

정확한 회전자 구조는 제조사의 도면이나 사양서, 분해상태 등을 확인해야 한다.

제어기 파라미터에서는

Ld,

Lq,

자석자속,

극수

등의 값이 구조를 이해하는 단서가 될 수 있다.

특히 Ld와 Lq의 차이가 크다면 돌극성이 강한 PMSM일 가능성을 생각해볼 수 있다.

고장이 발생했을 때도 구조 차이가 중요하다

SPMSM에서 표면자석의 고정에 문제가 생기면 고속회전 시 큰 기계적 문제가 발생할 수 있다.

자석 또는 보강구조의 이상은 회전자 불평형과 진동으로 이어질 수 있다.

IPMSM에서도 회전자 철심이나 자석고정 구조에 손상이 생기면 회전자 밸런스와 자기적인 특성이 변할 수 있다.

두 방식 모두 영구자석의 부분적인 감자가 발생하면 상별 역기전력이나 토크특성에 비대칭이 생길 수 있다.

따라서 이상진동이나 비정상적인 전류, 출력저하가 발생했다면 인버터와 고정자뿐 아니라 회전자 영구자석의 상태도 고려해야 한다.

전류만 보고 SPMSM과 IPMSM을 판단하기는 어렵다

IPMSM은 릴럭턴스 토크를 이용한다고 해서 항상 SPMSM보다 전류가 작은 것은 아니다.

운전점과 전동기 설계, 자석자속, 인버터 전압, 필요한 출력에 따라 결과는 달라진다.

특히 고속 약계자 영역에서는 토크를 만드는 q축 전류 외에 자속을 약화시키는 d축 전류도 필요하다.

따라서 단순히

“IPMSM은 효율이 좋으니 항상 전류가 적다”

라고 판단하면 안 된다.

전동기의 효율과 전류는 전체 운전영역과 제어전략을 기준으로 비교해야 한다.

SPMSM과 IPMSM을 한눈에 비교하면

SPMSM

영구자석 위치: 회전자 표면

회전자 구조: 비교적 단순

Ld와 Lq: 일반적으로 차이가 작음

주요 토크: 영구자석 토크

제어: 상대적으로 단순한 편

고속회전: 자석의 기계적 고정이 중요

대표적인 특징: 정밀제어와 단순한 자기구조

IPMSM

영구자석 위치: 회전자 내부

회전자 구조: 비교적 복잡

Ld와 Lq: 차이가 크게 설계될 수 있음

주요 토크: 영구자석 토크 + 릴럭턴스 토크

제어: MTPA와 약계자 등 적극적인 d-q 전류제어

고속회전: 자석이 내부에 있어 기계적으로 유리한 설계 가능

대표적인 특징: 높은 토크밀도와 넓은 속도운전영역을 설계하기 유리

어느 방식이 더 좋은 전동기일까?

SPMSM과 IPMSM 가운데 하나가 무조건 더 우수하다고 말할 수는 없다.

필요한 운전조건이 다르기 때문이다.

정밀한 토크제어와 비교적 단순한 회전자 구조가 중요하다면 SPMSM이 적합할 수 있다.

반대로 높은 토크밀도와 넓은 속도범위, 고속 약계자 운전이 중요한 시스템에서는 IPMSM의 장점이 커질 수 있다.

결국 전동기 설계에서는

최대토크,

정격속도,

최고속도,

효율,

크기와 무게,

냉각,

가격,

인버터 성능

등을 함께 고려해야 한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, SPMSM과 IPMSM 모두 PMSM이다.

둘 다 정상운전에서는 회전자와 고정자 기본파 회전자계가 같은 평균속도로 회전한다.

둘째, 두 방식의 가장 기본적인 차이는 영구자석의 위치다.

셋째, SPMSM에서도 Ld와 Lq가 항상 완전히 같은 것은 아니다.

다만 기본적인 구조에서는 두 값의 차이가 비교적 작은 경우가 많다.

넷째, 많은 일반적인 IPMSM에서 Lq가 Ld보다 크지만 모든 설계가 반드시 같은 관계를 가지는 것은 아니다.

다섯째, IPMSM은 영구자석 토크뿐 아니라 릴럭턴스 토크를 활용할 수 있다.

여섯째, 자석이 회전자 내부에 있다고 해서 기계적 응력문제가 사라지는 것은 아니다.

일곱째, SPMSM도 약계자 운전이 가능하다.

여덟째, IPMSM은 고속운전에 유리한 특성을 설계하기 좋지만 항상 모든 속도에서 SPMSM보다 효율이 높은 것은 아니다.

아홉째, 두 전동기 모두 영구자석의 온도와 감자를 관리해야 한다.

열째, 최종적인 성능은 회전자 형상만 아니라 인버터와 제어알고리즘까지 포함한 전체 구동시스템으로 판단해야 한다.

마무리

SPMSM과 IPMSM은 모두 영구자석을 회전자 자계원으로 사용하는 동기전동기다.

하지만 영구자석을 어디에 배치하느냐에 따라 전동기의 특성이 크게 달라진다.

SPMSM은 영구자석을 회전자 표면에 배치한다.

구조가 비교적 단순하고 영구자석의 자속을 직접적으로 이용하기 쉬우며 기본적인 운전에서는 자석토크가 주된 역할을 한다.

반면 IPMSM은 자석을 회전자 철심 내부에 삽입한다.

이로 인해 d축과 q축의 자기경로가 달라지고 Ld와 Lq의 차이가 만들어진다.

그 결과 영구자석 토크뿐 아니라 릴럭턴스 토크까지 함께 이용할 수 있다.

또한 MTPA와 약계자제어를 이용하면 넓은 속도범위에서 전동기의 토크와 출력을 효과적으로 활용할 수 있다.

결국 두 구조의 차이를 이해하는 핵심은 단순히 자석의 위치가 아니다.

자석 위치 → 자기회로 변화 → Ld·Lq 변화 → 토크 발생방식 변화 → 제어와 고속운전 특성 변화

라는 연결관계를 이해해야 한다.

다음 글에서는 여기서 한 걸음 더 나아가 영구자석 자체를 사용하지 않는 동기 릴럭턴스 전동기(SynRM)를 살펴본다. 자석이나 회전자 권선 없이도 d축과 q축의 자기저항 차이만으로 어떻게 토크를 만들 수 있는지 이어서 알아본다.