동기모터
동기모터(synchronous motor)는 동기속도로 회전하는 모터이다. 동기전동기라고도 불린다. 회전자가 장자석인 회전 장자석형을 일반적으로 쓴다.
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목차
개요[편집]
동기모터는 3상 대형 모터에 널리 사용된다. 고정자 쪽은 3상유도모터와 동일한 구조로 보아도 되지만, 회전자는 직류여자된 자극을 둔다. 정상으로 운전할 경우의 회전자속도는 전원 주파수가 일정한 한 120f/p로 된 일정값으로서, 이 값은 부하의 경중과 관계없이 완전히 일정하다는 점이 동기모터의 특징이라고 할 수 있다. 또 직류여자를 어느 값으로 하면 역률이 1로 되어 동일한 입력으로 교류 쪽에서 흘러 들어가는 전류를 최솟값으로 할 수 있는 것도 특징이다. 이와 같은 역률 조정은 유도모터로는 할 수 없다. 단상유도모터의 고정자와 동일한 구성에서 회전자는 계자권선을 없애고 자극표면에 농형유도체를 둔 것이 단상동기모터인데, 속도가 완전히 일정한 것을 필요 조건으로 하는 특수용도에 사용된다.[1]
진화[편집]
동기모터 중에 매입형 영구자석 동기모터는 자석과 자석 간에 발생하는 힘 외에 추가적인 힘을 이용할 수 있다. 즉, 영구자석이 철 속에 매입됐기 때문에 자석과 철 간에 발생하는 힘을 추가로 모터 회전에 이용한다. 자석 간에 발생하는 회전력을 마그네틱 토크라고 하며, 자석과 철 간에 발생하는 회전력을 릴럭턴스 토크라고 한다. 모터의 전체 토크는 이 둘의 합이다. 릴럭턴스 토크는 자기 저항을 최소화하려는 성질을 이용한다. 자력선은 N극에서 S극으로 최단 거리의 경로로 가려는 성질이 있기 때문이다. 즉, 영구자석이 회전자의 철심 속에 일정한 패턴으로 매입됐을 경우에 고정자의 전자석에 대해 회전자의 철심과 자석의 거리가 위치에 따라 달라진다. 이에 따라, 자기 저항도 달라진다. 자기 저항이 커지는 위치에서 자기 저항을 최소화하는 방향으로 회전하려는 힘이 발생하는데 이를 릴럭턴스 토크라고 한다. 릴럭턴스 토크는 동기모터 외에도 다양한 모터에 활용할 수 있다. 릴럭턴스 토크가 주 동력원이 되는 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM, Switched Reluctance Motors), 릴럭턴스 토크로 동기모터를 만드는 동기 릴럭턴스 모터(SynRM, Synchronous Reluctance Motor)가 있다. 최근에는 동기 릴럭턴스 모터에 매입형 영구자석까지 활용한 매입형 영구자석 동기 릴럭턴스 모터(IPM-SynRM, Internal Permanent Magnet-SynRM)의 적용이 늘어나고 있다.[2]
원리[편집]
동기모터 회전자의 자극은 유도모터와 같이 고정자의 회전자계에 의해 자극이 유기되는 것이 아니라 직접 직류여자를 가하여 만들어진다. 중,대용량의 동기모터는 회전계자에 직류여자를 인가하기 위해 슬립 링과 브러시를 갖추고 있으나, 소용량의 동기모터는 계자 극에 영구자석을 사용한다. 자석을 회전시키는 대신에 3상 권선을 한 고정자의 안쪽에 회전자를 두면, 회전자는 고정자의 회전자기장의 속도와 같은 속도로 회전한다. 정지하고 있는 동기모터는 자극이 무거워 회전자기장과 같은 속도로 회전할 수 없으므로, 처음에는 회전자를 동기 속도까지 회전시켜 주는 기동 방법이 필요하다. 동기모터는 여자기를 필요로 하며 값이 비싸지만, 속도가 일정하고 역률 조정이 쉽기 때문에 정속도 대용량으로 사용된다. 속도제어가 필요한 경우에는 주파수를 바꾸는 방법을 취한다.[3]
기동법[편집]
동기 전동기는 동기 속도로 돌고 있을 때만 토크를 발생하고 정지했을 때의 기동 토크는 0이다. 어떤 방법으로 기동 토크를 내게 해서 기동시키든지 기동용 전동기로 기동시키든지 해야 한다.
- 자기동법: 회전 자극 표면에 기동 권선을 설치하여 기동시에는 농형 유도 전동기로 동작시켜 기동시키는 방법이다. 유도 전동기의 2차 권선 역할을 하는 제동권선을 이용하여 기동토크를 발생시켜 기동하는 방식으로 제동권선은 유도 전동기의 회전자 권선과 같이 작용하여 기동 토크를 발생시킨다.
- 유도 전동기법: 동기 전동기에 기동기를 연결하여 기동시키는 방법이다. 기동 전동기로 유도 전동기를 사용할 경우 동기기의 자극 수보다 2극 적은 유도기를 써서 유도 전동기의 속도가 동기 속도 이상이 되도록 가속한 다음 기동 전동기를 전원에서 떼어 내고 동기 전동기를 여자 시키면 동기 전동기는 감속하는 도중에 동기 속도가 되면서 동기화하게 된다.[4]
유형[편집]
무여자 모터[편집]
무여자 모터에서 회전자는 강철로 만들어진다. 동기 속도에서 고정자의 회전 자기장과 보조를 맞춰 회전하므로 고정자를 통과하는 자기장은 거의 일정하다. 외부 고정자는 회전자를 자화하여 회전에 필요한 자극을 유도한다. 회전자는 코발트 강과 같은 유지력이 높은 강철로 만들어진다.[5]
릴럭턴스 모터[편집]
릴럭턴스 모터는 강자성 회전자에서 비영구적인 자기극을 유도하는 전기 모터의 한 종류이다. 회전자에는 권선이 없어 자기저항을 통해 토크를 발생시킨다. 릴럭턴스 모터 하위 유형에는 동기식, 가변식, 스위치식 및 가변식 스텝이 포함된다. 릴럭턴스 모터는 낮은 비용으로 높은 전력 밀도를 제공할 수 있어 많은 응용 분야에 쓰인다. 단점으로는 저속 작동 시 높은 토크 리플과 토크 리플로 인한 소음 등이 있다. 고정자는 감긴 자기장 브러시드 직류모터와 유사한 다중 투영 전자석폴로 구성된다. 회전자는 자기 저항을 통해 돌출된 자극으로 작용하는 다중 돌출부가 있는 적층 규소강과 같은 연자성 재료로 구성된다. 스위치드 릴럭턴스 모터의 경우 회전자 극의 수는 일반적으로 고정자극의 수보다 적다. 토크 리플을 최소화하고 모든 극이 동시에 정렬되는 것을 방지한다. 고정자 폴이 인접한 두 로터 폴과 등거리일 때, 로터 폴은 완전히 정렬되지 않은 위치에 있다고 한다. 이 위치는 로터 폴에 대한 최대 자기 저항의 위치이다. 정렬 위치에서 2개 이상의 회전자 폴은 2개 이상의 고정자 폴과 완전히 정렬된다. 스테이터 폴에 전원이 공급되면 로터 토크는 저항을 줄이는 방향으로 이동한다. 회전을 유지하기 위해 고정자 장은 로터 폴보다 앞서 회전해야 하며, 따라서 로터를 지속해서 당겨야 한다. 일부 모터 변형은 3상 직류 전원에서 실행된다.[6] 릴럭턴스 모터의 회전자 제작비용은 영구자석 모터나 유도모터보다 잠재적으로 저렴하다. 영구자석 모터 대비 비토크는 허용 가능한 수준이고, 영구자석을 사용하지 않기 때문에 회전자 온도 상승에 영향을 받지 않는다. 유도모터 대비 자속지향제어 알고리즘이 더 간단하다.[7]
히스테리시스 모터[편집]
히스테리시스 모터는 단단하고 부드러운 원통형 회전자를 가지고 있으며, 높은 강압성의 하드 코발트 강철로 주조된다. 이 물질은 넓은 히스테리시스 루프를 가지고 있어, 일단 주어진 방향으로 자화되면 자화를 반전시키기 위해 큰 역자장이 필요하다. 회전하는 고정자 자기장은 로터의 회전자의 작은 부피가 역자기장을 경험하도록 한다. 히스테리시스 때문에 자화 위상이 적용된 필드의 위상 보다 뒤처진다. 그 결과 회전자에 유도된 자기장의 축이 고정자 자기장의 축보다 일정한 각도만큼 뒤처져 회전자가 고정자 자기장을 따라잡으려고 할 때 토크를 생성한다. 히스테리시스 모터의 장점은 지연각이 속도와 무관하기 때문에 시동에서 동기 속도에 이르기까지 일정한 토크를 발생시킨다는 것이다. 따라서, 많은 설계에는 시동 시 추가 토크를 제공하기 위해 회전자에 내장된 농형 전도성 권선 구조로 되어 있지만, 자체 시동 걸리며 시동하기 위해 유도 권선이 필요하지 않다. 히스테리시스 모터는 주로 서보 모터 및 타이밍 모터와 같이 하위 분수 마력 등급으로 제조된다. 릴럭턴스 모터보다 고가이고 정밀한 정속이 요구되는 곳에 사용된다.[5]
영구자석 모터[편집]
영구자석 모터는 강철 회전자에 내장된 영구 자석을 사용하여 일정한 자기장을 생성한다. 고장자는 교류모터 공급 장치에 연결된 권선을 운반하여 회전 자기장을 생성한다. 동기 속도에서 로터 폴은 회전 자기장에 잠긴다. 영구자석 모터는 브러시리스 직류모터와 유사하다. 네오디뮴 자석은 이러한 모터에서 가장 흔하게 사용되는 자석이다. 네오디뮴 자석의 가격 변동으로 인해 대안으로 페라이트 자석을 찾고 있다. 현재 사용 가능한 페라이트 자석의 고유한 특성 때문에 이러한 기계의 자기 회로 설계는 자속을 집중시킬 수 있어야 한다. 영구자석 모터는 2000년부터 기어가 없는 엘리베이터 모터로 사용되어 왔다. 영구자석 모터를 시작하려면 가변 주파수 드라이브가 필요하다. 그러나 일부는 시동을 위해 로터에 농형 케이지를 통합한다. 이를 라인 시동 또는 자체 시동 영구자석 모터라고 한다. 일반적으로 유도모터의 고효율 대체품으로 사용되지만, 동기 속도에 도달하고 시스템이 토크 리플을 견딜 수 있도록 애플리케이션에 대해 신중하게 지정해야 한다. 영구자석 모터는 주로 직접 토크 제어 및 필드 지향 제어를 사용하여 제어된다. 그러나 이 방법은 상대적으로 높은 토크와 고정자 플럭스 파동으로 인해 어려움을 겪는다. 예측 제어 및 신경망 제어기가 이러한 문제에 대처하기 위해 최근에 개발되었다.[5] 영구자석 모터는 정류자, 브러시, 계자여자회로, 슬립 링이 없어 보수가 용이하다. 계자의 손실에 의한 온도 상승이 없기 때문에, 계자 온도 상승에 대한 보호가 불필요하다. 회전속도가 전원주파수에 의해 결정된다. 속도를 변화시키기 위해서 전용 가변전압 가변주파수 제어 인버터가 필요해 기동 및 정지 시에 독특한 음이 발생한다. 구형파에 의한 제어는, 역기전력을 검출하여 위상각을 검출하는 방법이 일반적이다.[8]
직류여자 모터[편집]
직류여자 모터는 회전자 자기장을 생성하기 위해 회전자에 직류를 공급한다. 직류여자 모터는 고정자 권선과 회전자 권선을 모두 가지고 있다. 원통형 회전자 또는 돌출형 회전자를 사용할 수 있다. 그것들은 스스로 시작하지 않고 댐퍼 권선이 필요하다. 처음에는 유도모터로 시작하여 나중에 동기 속도를 얻는다.[9]
특징[편집]
동기모터는 유도모터와 같은 슬립이 없으며 회전 속도가 전기자 전원에 의한 회전자계의 동기속도에 비례하는 전동기로 수만 KW의 대용량에서부터 1W 이하의 소형기기에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 주로 화학 공장과 시멘트 공장용 등 대형 모터용으로 채용되고 필드에 많은 모터이다. 역율이 좋고, 대용량 전동기에 적합하다. 계통의 역률 조정을 할 수 있다.[10]
회전 원리[편집]
유동모터의 고정자에 해당하는 전기자에는 분포권선이 배치되어 있으며 교류전원이 인가되면 회전자계가 만들어진다. 이 회전자계에 계자의 자극이 이끌려 회전자계와 동일한 속도로 회전하게 된다. 회전자의 자극은 유도모터와 같이 고정자의 회전자계에 의해 자극이 유기되는 것이 아니며 직접 직류여자를 가하여 만들어진다. 중·대용량의 동기모터는 회전계자에 직류여자를 인가하기 위해 슬립링과 브러시가 갖추어져 있으며 소용량의 동기모터는 계자극에 영구자석을 사용하거나 특수한 용도로 변형시킨 것을 사용하여 전기자에 인가하는 교류 전원 외에 별도의 직류전원을 필요로 하지 않는다.[10]
장단점[편집]
- 장점
- 동기모터는 권선계자형을 제외하면 계자자속을 유지하는 데에 별도의 에너지가 들어가지 않으므로 계자 자속을 만들기 위해 추가적인 전력을 투입하지 않을 수 있어 손실 요인이 감소한다. 이 장점은 영구자석 모터와 비영구자석 모터 모두 포함되는데 일반적으로 영구자석 쪽이 더 효율이 높다.
- 회전자에도 전류가 흘러야 하고 무조건 일정 이상의 교류전원이 들어가야 하는 유도모터와 달리 동기모터는 그럴 필요가 없으므로 정숙성 확보가 약간 더 유리하다. 다만 대용량일 경우에는 둘 다 소음이 필연적으로 나게 되고 전기적 소음은 드라이브의 영향도 커서 차이가 미미하긴 하다.
- 동기모터는 유도모터에 비해 발열이 더 적고 효율이 높아 동일 사이즈에서 고성능의 모터를 만들기가 쉽다.
- 모든 교류모터는 회전수 주파수에 비례하는 특성이 있지만 이건 부하가 없을 때의 이야기이다. 실제로 상용 전원을 넣고 부하를 걸어보면 슬립이 커지면서 회전수가 점점 떨어진다. 반면에 동기모터는 상용 전원 조건에서 부하가 어느 정도 실리더라도 회전수가 바뀌지 않으므로 초기기동만 잘 된다면 꽤 유용한 정속성을 얻을 수 있다. 그래서 상용 전원을 주로 쓰던 시절에는 정속 구동용 모터로 많이 사용되었다. 대신 부하가 너무 커서 동기모터의 토크로 감당이 안 되면 고정자 회전 자계와 회전자의 동기가 깨지면서 그냥 뚝 서버린다는 문제가 있다.
- 모터 드라이브의 제어를 받는 동기모터는 회전자의 위치에 따라서 모터 드라이브가 전류의 위상을 실시간으로 제어하는데 이 전류가 반드시 일정 주파수 이상의 교류일 필요가 없어서 정지 상태 유지 등의 위치제어 성능이 매우 좋고 응답성이 뛰어나다.[11]
- 단점
- 일반적으로 동기모터는 유도모터보다 가격이 비싸다. 자석 성능 개선 및 특이한 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가된다.
- 직류모터는 계자 자속과 전기자 자속의 위상차를 기계적으로 맞춰주는 정류자와 브러시가 존재하지만 동기모터는 그러한 장치가 없어서 교류 전원을 무작정 때려 넣으면 동기각이 맞지 않아 정상적으로 회전하지 못한다. 약하게 토크가 생기기지만 회전자 관성과 부하를 이길 만큼 되지 않아 연속적인 회전으로 이어지지 못한다. 상용 전원에서 사용하려면 전동기를 상용 전원 주파수에 맞게 먼저 회전시켜야 한다.
- 위치 센서 없이도 인버터가 자체적으로 회전자의 위치를 추적하여 제어하는 센서리스 벡터제어가 상용화되긴 했으나 아무래도 센서가 있을 때보다 성능과 안정성이 떨어지므로 정속도만 필요한 저가 시스템이나 속도제어 성능에 매우 둔감한 시스템에서 쓰인다. 특히 역기전력 검출이 어려운 영속도를 자주 드나드는 위치제어가 요구되거나 빠른 응답성이 필요한 서보제어와 로봇, 그리고 최상의 성능이 필요한 차량 같은 시스템에는 센서리스 구성의 채용을 신중하게 한다. 전기기관차같이 주변 환경이 나쁜 대용량 시스템에서 영구자석 모터를 쓴다면 센서리스 운용을 하는 경우가 많다. 용량이 워낙 크다 보니 물리적, 전기적으로 연약한 센서가 망가지기 쉽고, 작동하더라도 잡음으로 인한 위험이 매우 크다.[11]
각주[편집]
- ↑ 〈동기전동기〉, 《두산백과》
- ↑ 윌리, 〈05.교류 모터의 종류 : 동기모터, 유도모터〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-01
- ↑ 〈동기전동기 원리 Principle of synchronous motor〉, 《현대모터산업》
- ↑ 아드반, 〈동기 전동기〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-03
- ↑ 5.0 5.1 5.2 〈Synchronous motor〉, 《Wikipedia》
- ↑ 〈Reluctance motor〉, 《Wikipedia》
- ↑ 박찬배, 〈동기 릴럭턴스 전동기 : 전기 자동차를 위한 희토류 없는 솔루션〉, 《국통교통과학기술진흥원》, 2020-03-01
- ↑ 〈영구자석 동기전동기〉, 《위키백과》
- ↑ 〈동기 모터의 종류〉, 《리버글레냅스》
- ↑ 10.0 10.1 Hyundai Motor Industries, 〈동기 전동기(synchronous motor)의 특징〉, 《현대모터산업》, 2017-05-28
- ↑ 11.0 11.1 〈교류전동기 (r20210301판)〉, 《더위키》
참고자료[편집]
- 〈Synchronous motor〉, 《Wikipedia》
- 〈Reluctance motor〉, 《Wikipedia》
- 〈영구자석 동기전동기〉, 《위키백과》
- 〈교류전동기 (r20210301판)〉, 《더위키》
- 〈동기전동기〉, 《두산백과》
- 〈동기전동기 원리 Principle of synchronous motor〉, 《현대모터산업》
- 〈동기 모터의 종류〉, 《리버글레냅스》
- 윌리, 〈05.교류 모터의 종류 : 동기모터, 유도모터〉, 《네이버 블로그》, 2021-10-01
- 아드반, 〈동기 전동기〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-03
- 박찬배, 〈동기 릴럭턴스 전동기 : 전기 자동차를 위한 희토류 없는 솔루션〉, 《국통교통과학기술진흥원》, 2020-03-01
- Hyundai Motor Industries, 〈동기 전동기(synchronous motor)의 특징〉, 《현대모터산업》, 2017-05-28
같이 보기[편집]
