전기차, 전기모터] 동기전동기, 권선계자형 동기전동기 (원리, 장단점)

 

- 동기전동기 #전기모터 #전기차 모터

- 권선계자형 동기전동기 

- 권선계자형 동기전동기의 원리 

- 권선계자형 동기전동기의 장단점 

- 영구자석형 동기전동기 #전기모터 #전기차 모터

 

 동기전동기

 

 

motortrend

 

 

좌: 권선계자형 동기전동기 // 우: 영구자석형 동기전동기

 

 

동기전동기: 계자가 회전자에 위치하고 고정자에 전기자가 위치

• 권선계자형 동기전동기: 회전자 = 권선계자 (권선, 전류를 넣고 브러시 장치를 사용하여 교류로 변환, N/S극을 만들어낸다.)
• 영구자석형 동기전동기: 회전자 = 자성을 만들어 낼 필요 없이 영구자석이 들어간다.

 

 

 

• 동기전동기는 회전자가 회전자계(고정자에서 극을 바꿔주며 회전자를 돌려주는 역할)와 같은 속도로 회전할 때만 출력 토크 생성
• 회전자가 회전자계 보다 느리거나 빠르게 돌면 평균적으로 토크가 발생하지 않는다(순간 토크는 있지만 한 주기동안의 쁠마 0)
• 회전자는 출력 토크를 잃고 서서히 감속하다 정지한다.
• 동기전동기와 분류되는 유도전동기는 회전자가 회전자계 보다 느리게 반응한다 (유도되는 전력/힘으로 움직이는 전동기이기에)

 

 

 

 권선계자형 동기전동기

 

 

권선계자형 동기전동기 = 권선계자형 ~ 계자자속 생성을 위한 직류전압 + 고정자 전기자 전류를 위한 교류전압 모두 필요

권선 계자를 사용할 경우 회전자에 전류를 넣어줘야 하기에 이 또한 직류전동기처럼 복잡한 구조가 된다. (브러시와 슬립링 구조가 필요)

 

 

2022.06.14 - [정리, 공부/자동차, 친환경차] - 직류전동기(DC모터) 원리 + 장단점 + 자동차에서의 활용

직류전동기(DC모터) 원리 + 장단점 + 자동차에서의 활용

 

 

전기자에 교류전류가 필요하고

권선에서 발생하는 회전 자기장은 120f/p으로(p=극수, f=주파수) 극수p가 바뀌지 않는다고 하면 주파수에 따라 회전 속도가 결정된다.

* 극수 ~ 회전자에 들어가는 영구자석 수 ~ 전기자계로 형성되는 극수

그렇기에 고장자에 입력하는 전기자 전류의 주파수를 가변하기 위한 장치인 인버터가 필요하다.

(물론, 모든 교류전동기에서는 전류의 주파수 및 세기를 조절하기 위해 인버터라는 컨트롤러가 들어간다.)

 

 

 

 

한쪽 끝에 브러시

슬립링은 브러시와 접촉하여 전류 공급 ~ 전류가 잘 흐르는 도체로, 미끄러지면서도 전기적 연결 가능

 

 

 권선게자형 동기전동기 원리

 

 

회전자의 권선에 전류가 흐르면 그에 맞는 계자(N/S극) 형성

고정자에도 전류가 흐르며 자계 형성

이를 교류전류가 흐르고 인버터가 컨트롤 하며 자계가 회전(회전자계 형성)

고정자의 회전자계, 회전자의 계자자속이 동기화

회전자가 고정자의 회전자계에 맞춰 회전

이 회전력은 shaft(축)을 통해 원하는 곳으로 기계적 회전운동 전달

 

 

 

 

힘=계자자속x전기자 전류

계자자속=(계자권선 턴수)x(계자전류)/(자기저항)

계자자속 높이기 = 계자전류 크게 or 계자권선 턴수 늘려 or 공극(고정자와 회전자 사이) 줄여 or 비투자율이 높은 연자성체를 코어로 사용

 

 

 권선게자형 동기전동기 장단점

 

 

장점:

• 계자권선을 이용하여 계자자속을 발생시켜 계자자속 크기 제어가 용이, 영구자석 사용x
• 영구자석을 사용하지 않아, 부품 수급 안정성에서 유리
• 영구자석을 사용하지 않아 신뢰성 우수(감자 x, 감자=온도 상승 등의 불편한 요소로 자성이 떨어져 효율이 떨어지는 현상)
• 계자자속 크기 제어가 가능하여 저속부터 고속까지 효율적 운전 가능

 

 

 

단점:

• 회전자 계자권선에 계자전류 입력을 위한 브러시-슬립링 추가 장치와 이로 인한 수명 제한
• 권선계자형은 회전자에서 추가적인 동손이 발생하기에 영구자석형 보다 효율이 떨어짐
• 회전자 기구구조가 복잡하여 고장 위험성(계자전류를 위한 별도의 DC전류와 브러시-슬립링이라는 추가적 장치 필요)
• 브러시 마모의 문제(전동기 수명 제한)

 

 영구자석형 동기전동기

 

 

하지만 주로 영구자석 사용, 우리가 관심있는건 영구자석 사용하는 녀석 -> 영구자석에서 계자자속 생성하기에 구조 단순

단, 계속되는 영구자석 재료(희토류)의 수입 불안정성 및 중국의 독점에 가까운 시장으로 영구자석을 사용하지 않는 효율좋은 전기모터의 개발이 진행되고 있는 상황

 

 

마치며

 

다음 포스팅에서

영구자석형 동기전동기에 대해 조금 더 자세히 정리하겠습니다.