문서 보기문서 편집수정 내역 교류전동기 (r1 버전으로 되돌리기) [목차] == 개요 == 말 그대로 [[교류(전기)|교류]] [[전원]]을 직접 받아 회전하는 [[전동기]]를 말한다. 구조에 따라 크게 유도전동기와 동기전동기로 나뉘며 동기전동기는 다시 영구자석 동기전동기와 비영구자석 동기전동기로 나뉜다. 대부분의 교류전동기는 정류자(브러시)가 없는 형태를 띄며, 그래서 교류전동기도 브러시리스 모터의 일종이다. 교류전동기가 보통 브러쉬가 없는 구조를 갖는 이유는 전동기에 인가 되는 교류전원을 통해서 정류기능을 대체하거나 구동 원리 상 정류자가 불필요한 요소이기 때문이다. 직류전동기와 교류전동기의 구조적 특징은 자기 회로가 작동하는 모습을 보면 두드러지게 나타난다. 예를들어 직류전동기는 보통 계자자극의 방향이 기계적으로 고정되는 구조를 갖는다. 왜냐하면 전동기가 연속적인 회전을 하기 위해서는 계자와 전기자의 자극각이 서로 수직으로 마주보는 상태를 유지해야 하는데 직류는 방향이 일정하므로 고정자의 자극을 변경하기가 매우 곤란하기 때문이다. 즉, 직류전동기는 고정자의 자극을 이동시킬 수가 없기 때문에 반대로 회전자의 자극을 기계적 회전각과 무관하게 일정한 방향으로 유지해주어야 연속적인 토크를 생성할 수 있으며, 그래서 브러쉬를 사용해 회전자의 자극이 한쪽 방향만 보게끔 유지하는 구조를 사용할 수 밖에 없다.[* 그런데 왜 굳이 회전자가 전기자가 되느냐 하면 결과적으로 회전자 전류를 회전시키는 것과 같기 때문에 = 회전자 자속의 각속도가 고정자 자속보다 상대적으로 빠르기 때문에 전기자 반작용이 회전자 회로에 실릴 수 밖에 없어서 그렇다. 따라서 전기자 반작용 때문에 고정자 전류보다 회전자 전류를 일정하게 하기가 더 어려우므로 고정자가 안정적인 자속을 제공하기가 훨씬 쉬우며, 그래서 고정자를 계자로 쓰는 것이다.] 반면에 교류전동기는 계자자극의 기계적 방향이 일정하지 않고 회전한다. 이것이 가능한 이유는 교류전원이 그 자체로 이미 각속도를 갖고 있는, 쉽게 말해 회전하고 있는 전류이기 때문에 전자석에 투입하면 자연스럽게 회전하는 자속이 생성되기 때문이다. 즉 고정자에 그냥 교류를 투입하는 것만으로도 고정자 자극이 회전하므로 회전자 내에서 자극이 따로 회전할 필요가 없이 회전자 자체의 회전각이 곧 회전자 자극의 방향이 될 수 있다. 그래서 직류전동기와는 달리 [[전자석|전기자]]가 고정자로, [[영구자석|계자]]가 회전자로 가는 구조가 허용된다. == 유도전동기와 동기전동기 == 교류전동기는 크게 유도전동기와 동기전동기로 나뉘는데 전자기학적인 관점에서 두 방식의 작동원리는 근본적으로 동일하다고 볼 수 있다. 전자기 회로의 관점으로는 유도전동기는 전자기 유도 작용을 적극적으로 사용해 회전자를 직접 자화시켜 구동하고, 동기전동기는 회전자 자석의 자기력과 자기저항 토크를 적극적으로 이용한다는 차이점이 있다. 유도전동기와 동기전동기는 이러한 설계의 차이로 인한 제어방식과 특성에 차이가 있으며 장단점도 뚜렷하다. === 유도전동기 === [[파일:아라고의 원판.jpg]] 아라고의 회전은 1824년 프랑스의 물리학자인 [[프랑수아 아라고]]에 의해 발견된 현상이다. 아라고는 자석과 철 원판으로 이 현상을 입증하는 장치를 발명했는데 이를 아라고의 원판이라고 한다. 이 현상의 원리에 대한 구체적인 설명을 하기전에 먼저 [[전자기 유도]] 문서를 참고하는 것이 좋다. 아라고의 원판은 그림과 같이 철 원판 위에서 자석이 원판 바깥 부분을 따라 돌아주면 원판도 자석의 움직임을 따라 천천히 회전운동을 하게 됨을 보여주는 장치이다. 이 때 전자기력이 작용하는 순서를 보면 먼저 자석이 원판 위를 지나면서 원판에 자기장의 변화를 주게 되고, 이로 인한 [[전자기 유도]] 작용으로 원판에 전기장이 생기면서 맴돌이전류가 발생한다. 이 맴돌이 전류로 인해 원판이 자화되어 자석이 되는데 이 때 맴돌이전류는 자석의 움직임을 억제하려는 방향으로 발생하게 된다. 예를들어 자석이 가까워지는 부분은 맴돌이전류가 시계방향으로 발생하고 자석과 동일한 극으로 자화되어 자석을 밀어내려 하며, 자석이 멀어지는 부분은 맴돌이전류가 시계반대방향으로 발생하고 자석과 반대의 극으로 자화되어 자석을 끌어당기려 하게 된다.[* 방향에 대한 부분은 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙, 앙페르의 오른나사 법칙을 찾아보면 된다.] 그런데 원판이 고정된게 아니라 매우 쉽게 회전할 수 있음을 상기하자. 이 때문에 원판이 자석의 움직임을 막으려는 작용이 결과적으로 원판을 끌어당기게 되어 원판이 자석에게 끌려가는 형태로 나타나게 된다. 즉, 원판을 회전시키는 토크가 생성되는 것이다. 이 원리를 이용해 회전자를 구동하는 전동기를 바로 유도전동기라고 한다. 이 발견 이후, 좀 더 시간이 지나 미국에서 한창 직류 교류로 피터지게 싸우던 1880년대에 [[니콜라 테슬라]]가 이 원리를 참고해 교류를 사용하는 전동기와 발전기를 개발하면서 유도전동기가 개발되었다. 약 10년 뒤인 1890년대에는 농형 유도전동기가 개발되면서 지금 우리가 아는 형태의 유도전동기가 나타나게 되었다. ==== 특징 ==== ===== 장점 ===== * 구동이 쉽고 가격이 저렴하다. 유도전동기는 별다른 기교 없이 고정된 주파수를 가지는 상용전원을 그냥 직입하더라도 부하가 있든 없든 탈조 그런거 없이 어지간해서는 무난하게 회전력을 얻을 수 있다. 이는 유도전동기가 토크를 만드는 원리 상 전원의 주파수가 0만 아니라면 무조건 토크가 나오기 때문이다. 예외적으로 단상 유도전동기는 단독으로는 초기구동을 할 수 없는데 단상교류도 전류가 회전은 하지만 회전방향에 대한 정보가 없기 때문이다. 그래서 이를 보완하기 위한 약간의 기동회로를 더해줌으로써 마찬가지로 쉽게 구동시킬 수 있다. 덕분에 단순한 시스템이라면 값비싼 전용 모터드라이브를 사용하지 않아도 되고 쓰더라도 영구자석 전동기에 비해 센서 의존도가 낮으므로 시스템의 가격을 크게 낮출 수 있다. 또한 제조 시에도 공정이 훨씬 단순하고 네오디뮴+디스프로슘 등의 희토류가 사용되지 않아서 전동기 자체의 단가도 훨씬 저렴하다. 그냥 얇은 규소강판 잘라서 착착착 쌓아서 원통형으로 압착하고 다람쥐통 모양으로 슬롯 판 다음, 슬롯에 구리 바 끼우고 축 끼우면 끝. --참 쉽죠?-- * 튼튼하고 안전성이 우수하다. 전동기는 곧 발전기이기도 하다는 점을 생각해보자. 전동기를 움직이는 것도 일이지만, 긴급상황 시에 빠르고 안전하게 작동을 멈추는 것도 중요하므로 전동기의 기계적, 전기적 안전성을 따져보는 것도 무척 중요한 사항이다. 유도전동기는 기계적 관점에서 다른 전동기들보다 매우 견고하다. 왜냐하면 회전자에 영구자석을 붙인다던가 무슨 구멍을 왕창 뚫는다던가 그딴거 없이 그냥 쇳덩어리이거나 코일덩어리어도 되기 때문이다. 그래서 고속회전, 급제동, 급가속 등등 회전자에 큰 힘이 가해지는 상황에서도 내구력의 확보가 수월하고 고관성 전동기를 만드는데 유리하다. 또한 전기적 안정성도 매우 우수하다. 영구자석 전동기는 운전을 급히 멈추려 해도 회전자에 붙은 영구자석으로 인해 고정자에 유도기전력이 발생하므로 완전정지 전까지는 감전이나 누전 위험이 있으며, 경우에 따라 구동회로 파손까지 발생할 수 있다. 반면 유도전동기는 운전 중 뭔가 문제가 발생하더라도 구동원리 상 전원이 끊기면 회전자의 자화가 스스로 풀리므로 발전 같은걸 따질 필요 없이 어떤 상황에서도 안전하고 빠르게 운전을 중단시킬 수 있다. * 비교적 열에 강하고 고토크를 내기 좋다. 일반적인 유도전동기 제작에는 고온에 취약하고 영구적인 성능 감소를 일으킬 수 있는 [[자석]]이 사용되지 않으므로 코일만 버텨준다면 작동온도의 확보가 수월하고 과부하에 강하다. 단, 이는 열에 대한 전동기의 내구력이 우수하다는 뜻이지 열에 의해 성능의 변화가 없다는 의미로 이해해서는 안된다. 온도가 오를수록 성능이 점점 떨어지는 것은 유도전동기도 어쩔 수 없다. 비교적 고온을 잘 버틴다는 점은 같은 시간 내에 더 높은 전류를 버틸수 있다는 것을 의미하므로 아무래도 저속에서 토크 상한선을 더 높게 잡던지 고토크 유지 시간을 비교적 더 확보할 수 있다. 상용전원 조건으로는 기동전류와 최대속도 등의 제약이 있기 때문에 이런 특성을 적극적으로 활용하기는 어렵고, 모터드라이브 조건이라면 전동기 사이즈를 따져봐야겠지만 아무래도 영구자석 전동기들보다 과부하 토크를 빡세게 잡기 좋다. * 대형 시스템을 구성하기 용이하다. 단순한 구조와 우수한 전기적 기계적 특성이 결합되어 대량생산 시에도 일정한 성능의 확보가 수월하고, 대용량 전동기의 개발과 제조도 영구자석 전동기보다 더 쉽다. 거기에 열에 강하고 동작원리 상 까다롭게 자속각을 따지지 않아 병렬운전도 쉬워서 [[전기 기관차]], [[전기자동차]], [[엘리베이터]] 등 많은 분야에 유도전동기가 적용 되고 있다. 예를들어 철도나 엘리베이터에서는 1개의 인버터로 다수의 유도전동기를 동시에 구동하는 구성이 꽤 흔하다. 이렇게 하는 이유는 전동기와 인버터를 최대한 작게하여 차량 하부에 낮게 깔면 상부에 객실을 얹을 수 있으므로 구동차량도 객차로 쓸 수 있기 때문이다. 그런데 인버터는 보드 형상을 이리저리 바꾸고 분할해서 어떻게든 때려넣을 수 있지만 전동기는 어쩔 수 없이 원통 구조는 유지해야하므로 기계적인 측면에서 아무래도 차량 하부에 들어갈 정도로 소형화가 쉽지 않고, 크기가 커질수록 중량이 급격히 무거워지기 때문에 차량에 탑재하기에도 불리해진다. 이럴 때 쓰는 일반적인 해법은 비교적 작은 전동기 여러대를 병렬로 쓰는 것인데 문제는 전동기의 병렬운전 조건이 매우 까다롭다는 것이다. 예를들어 각 전동기의 성능과 제정수가 동일할 수 없으므로 전류가 한쪽으로 쏠린다던지, 내열성능이 부족해서 성능저하나 고장이 쉽게 나던지, 동기전동기처럼 각 전동기의 자속각을 고려한 맞춤 구동을 해줘야해서 애초에 병렬운전이 불가능하다던지 등등 전동기의 구조나 회로적인 문제로 인한 어려움이 따른다. 이런 문제는 보통 각 전동기를 개별로 맞춤 제어를 해주면 해결되지만 전동기 하나당 최소 6개 이상의 대전력 스위칭 소자가 필요하고 복잡한 제어회로와 소프트웨어가 추가되므로 결과적으로 각 전동기마다 전용 드라이브를 붙여주는 것과 같게 되며, 당연히 시스템이 복잡해져 부피가 커지며 단가가 크게 올라간다는 문제가 있다. 여기서 유도전동기의 장점이 크게 부각되는데 유도전동기는 동기전동기처럼 자속각을 따지지 않으므로 병렬접속이 전기적으로 전혀 문제가 되지 않는다. 또한 열과 과부하에 강해 약간의 성능불균형 정도는 깡패같은 내구력으로 무시할 수 있으며, 전동기 중 일부에 단선 등의 회로고장이 발생하더라도 이것이 시스템 전체를 무너뜨려 완전 제어불능이나 인버터 파손등의 심각한 사태로 이어지지 않게끔 Fail Safety[* 고장안전성. 시스템의 고장이 위험한 상황이나 2차사고를 초래하지 않고 안전하게 정지될 수 있으면 고장안정성이 있다고 한다. 예를들어 엘리베이터의 견인케이블이 끊어지면 곧 추락사고로 이어지게 될 것이다. 그래서 보통 자석브레이크 등으로 추락속도를 늦추거나 바닥에 완충기를 설치하여 적어도 치명적인 사망사고가 발생하지 않게끔 예방조치를 취하는데 이를 전문용어로 고장안전성을 보장한다고 한다.]를 보장하기도 상대적으로 수월하다. 그래서 저렴하고 안전하게 대출력 시스템을 구성하기가 매우 유리하다. * 토크가 부드럽다. 유도전동기는 동기전동기와는 달리 높은 주파수의 회전자계가 회전자를 계속 돌고 있기 때문에 고정자와 회전자의 형상으로 인한 코깅토크가 눈에 띄게 나타나지 않는다. 그래서 아주아주 일정한 토크가 필요하다면 고관성 유도전동기의 사용을 고려해 볼 수 있다. * 전자의존도가 낮다. 전자제어 전동기를 구현할 경우 보통 전동기의 회전축에 속도센서나 위치(=각도)센서를 설치한다. 당연히 전동기의 현재 회전속도가 얼마인지, 몇도로 돌아가있는지를 알아야 속도와 위치를 제어할 수 있기 때문이다. 그러나 이렇게 전동기에 설치하는 센서는 정밀도나 구성에 따라 단가가 비싸지는 경우가 많고 보통 전동기에서 발생하는 진동이나 케이지를 타고 흐르는 누설전류와 노이즈 등등의 각종 기계적, 전기적 충격을 고스란히 받게 되므로 시스템 전체의 내구력이 저하된다는 약점을 초래하게 된다. 특히 동기전동기는 구동원리 상 회전자의 각도에 맞춰서 교류전원을 투입해야 하기에 위치정보의 중요도가 매우 높아 직접적으로 위치제어를 사용하지 않는 솔루션이라 해도 위치센서의 설치해야만 하며 보통 위치센서가 속도센서보다 내구성이 부족하고 가격이 비싸므로 단가가 상승하기 쉽다. 반면에 유도전동기는 구동원리상 회전자 자속 자체가 전기자에서 유도되는 회전자계에 의해 생성되며 이 과정에서 계자자속의 위상이 전기자 회전자계를 스스로 쫓아가는 형세가 되기에 회전자의 절대위치가 무의미하다. 이 때문에 비교적 저가의 속도센서를 쓰거나 아예 센서를 생략하고 구동하기도 하며 이를 센서리스 제어라고 한다. 센서리스 제어는 전동기 전압방정식을 응용하여 회전자의 절대위치나 회전수를 추정하게끔 소프트웨어적으로 구현되는데 보통 회전수보다는 위치가 안정적으로 추정하기 어렵고 특별한 방법 없이는 극저속 조건에서 위치를 알아내는 것이 불가능하다. 또한 전동기 제정수의 변화에 민감해서 주변환경의 변화에 취약해진다는 단점도 있으나 어차피 제정수 튜닝은 유도전동기를 제어하는 과정에서 해야하는 일이고 회전수 정보는 오차나 잡음이 어느정도 있다해도 제어가 깨질 정도로 치명적인 경우는 드물다. 때문에 위치제어가 불필요한 솔루션에는 유도전동기 쪽이 센서리스를 채택하기 쉽고 그렇게 위치센서를 생략하여 단가를 절감하고 회로를 간단히 하기 용이하다. ===== 단점 ===== * 효율이 비교적 떨어지고 발열이 크며 냉각이 어렵다. 유도전동기는 구동원리상 회전자에도 큰 단락전류가 흐르는데 이 전류로 인해 회전자에서도 저항손과 철손이 발생하고, 회전자 전류를 유지하기 위해 고정자에 회전자의 실제 회전수보다 더 높은 주파수의 교류를 넣어주어야 해서 동일한 회전속도여도 철손이 더 커진다. 이렇게 손실요인이 대부분의 다른 전동기들보다 크거나 많기 때문에 동일조건에서 대부분 효율이 가장 낮게 나온다. 특히 유도전동기는 저속~영속도 조건에서도 일정 주파수 이상의 교류를 투입해야 하므로 철손을 무시할 수 없기 때문에 이 부분의 효율은 동기전동기에 비해 정말 끔찍한 수준으로 나온다. 그리고 그렇게 손실된 전력은 전부 열로 빠지므로 유도전동기는 동일조건에서 대체로 발열이 가장 크다. 설상가상으로 회전자에서도 전류가 흐르며 상당한 발열이 발생하므로 안그래도 발열이 큰데 방열도 쉽지가 않다. 이는 효율뿐만 아니라 베어링의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하여 전동기 수명을 깎아먹는 경우도 있으므로 방열이 중요한 경우엔 회전자 방열까지 고려하여 설계한다. 그래서 회전자 냉각이 필요하거나 수랭을 사용하는 유도전동기들은 회전축 가운데에 통로를 뻥 뚫어놓던지[* 이렇게 구동축 가운데를 뻥 뚫어놓은 전동기들은 중공형 전동기라고 부른다.] 아예 전동기 자체를 물이나 작동유 속에 담가놓기도 하는데 이런 경우엔 관리가 힘들기 때문에 일반적으로는 수랭 및 유냉이 필요한 정도로 출력밀도를 높게 쓰지 않는, 즉 가급적 소형화를 피하는 경향이 있다. 이런 유형의 유도전동기들은 보통 수도펌프나 유압 파워유니트 펌프 등으로 볼 수 있다. * 출력밀도가 비교적 낮고 부피가 크다. 여기서 말하는 출력밀도는 W/g이다. 즉, 출력밀도가 낮다는 것은 동일 출력 조건에서 전동기의 무게가 더 많이 나간다는 것을 의미한다. 유도전동기의 출력밀도가 나쁜 이유는 바로 위에서 언급했다시피 효율이 안좋아서 발열이 가장 크기 때문이다. 발열이 크기 때문에 그만큼 더 많은 열을 빼내야 하므로 방열면적과 열용량을 더 많이 확보해야 하고, 당연히 부피가 커지고 무거워지게 된다. * 성능곡선의 형태가 나쁘고 고속성능이 안좋다. '''상용전원 조건을 기준으로''' 유도전동기는 저속에서 [[돌림힘|토크]]가 비교적 낮고 최대속도 근처에서 최대토크가 나오며 해당 지점 뒤부터 속도가 올라갈수록 토크가 급강하하는 형태의 성능곡선이 그려진다. 그러다보니 막상 토크가 가장 필요할 초기구동시에 최대토크를 내기 어렵다는 결점이 있다. 이 문제는 상용전원의 주파수가 일정한 것이 원인이므로 모터드라이브를 사용함으로써 대부분 극복할 수 있다. 특히 [[전기자동차]]의 성능과 인터넷에 흔히 있는 유도전동기 특성이 서로 상반되게 설명되어서 혼란을 빚는 경우가 많은데 그런 자료들은 전압과 주파수가 고정된 상용전원 조건에서의 이야기고 [[전기자동차]]의 전동기는 전용으로 특별히 설계된 인버터인 모터드라이브라는 물건의 우수한 전자제어를 받으므로 애당초 구동조건부터가 다르다. 이런 조건에서는 유도전동기의 성능곡선도 직류모터와 비슷한 형태까지 확장되고 정지토크도 매우 높게 확보가 가능하다. 그럼에도 모든 유도전동기가 모터드라이브를 쓰지는 않는 이유는 이 물건의 가격이 대체로 전동기보다 더더욱 비싸기 때문이다. 당연히 모터드라이브는 전동기가 물리적으로 구현 가능한 성능으로만 운전이 가능하다. 전동기의 한계를 넘는 성능을 구현 할 수는 없으며, 전동기 유형에 따른 절대적인 성능 격차를 위배하는 것은 물리적으로 불가능하다. 모터드라이브가 붙더라도 여전히 같은 조건에서 낮은 효율, 높은 발열, 구린 고속성능은 어쩔 수 없다. 전자제어 기술이 발달함에 따라 기존의 전압과 주파수만을 고려하는 VVVF 제어법의 한계를 뛰어넘어 계자자속 벡터까지 고려하는 벡터제어기법이 매우 흔해졌다. 유도전동기도 이러한 벡터제어 혜택을 받아 보다 유연한 자속제어가 가능해져 약자속제어를 통한 고속운전이 가능해졌다. 그러나 유도전동기들은 동기전동기들과는 달리 계자자속을 유지하려면 항상 회전자의 회전수보다 더 높은 주파수를 투입해야 하며[* 슬립이 1이면 토크는 0이다.] 그나마도 주파수가 올라갈수록 회전자 리액턴스까지 덩달아 점점 커진다. 결국 전류 감소 + 더 높은 주파수 + 회전자 리액턴스 3연타로 인해 이용할 수 있는 계자자속의 크기가 영구자석 동기전동기들보다 더 낮은 속도에서 더 빠르게 줄어든다. 그래서 유도전동기들은 최대출력영역이 사실상 없거나 매우 좁고, 고속에서의 성능저하가 영구자석 전동기들보다 더 크고 급격한 경향을 보인다. * 전자제어가 어렵다. 적당히 구동하는건 동기전동기보다 쉬운데 막상 제대로 제어를 먹이려고 하면 상당히 번거롭다. 왜냐하면 동기전동기는 비교적 상수로 고정되는 제정수가 많으므로 약계자제어 등의 특별한 상황이 아니면 전기자 전류와 회전수만 신경써도 되지만 유도전동기는 거의 모든 제정수가 온도, 전류, 회전수, 주파수 등등 다양한 조건의 영향을 받아 변동이 심하기 때문이다. 이 때문에 영구자석 전동기보다 특성을 예측하고 최적으로 구동하기가 더 힘들다. 전문용어로는 튜닝이 어렵다고 하는데 그래서 아무 전동기나 붙여도 자동튜닝을 통해 맞춤동작이 가능한 범용모터드라이브들도 유도전동기까지 지원하는 경우는 많지 않다. 예를들어 영구자석 동기전동기의 경우, 계자자속과 전기자전류의 곱으로 토크가 계산이 되는데 여기서 계자자속원이 영구자석이므로 그냥 상수로 박을 수 있어서[* 당연히 자석도 온도가 높을수록 성능이 떨어진다. 그러나 보통 특정 온도까지의 성능변화는 충분히 폐루프 제어기가 감내할 수 있는 정도로 변화폭이 크지 않다.] 토크상수 계산이 매우 쉽고, 주파수도 그냥 회전자 회전속도에 비례해서 가므로 같은 부하조건이면 언제나 같은 상태로 운전이 가능하다. 사실상 약계자제어를 안쓰는 운전영역은 전류만 바뀐다고 봐도 된다. 반면에 유도전동기는 전기자전류와 주파수 조건이 같더라도 회전자 내부저항이 온도에 따라 변동하므로 단락전류의 크기에 변동이 생기는 등 계자자속부터가 외부조건에 따라서 지속적으로 변동하며, 주파수도 단순히 회전자를 따라가는게 아니라 유도전동기의 성능을 제어하는 중요한 변수 중 하나이므로 주파수도 따로 튜닝과 제어가 필요하다. 또한 위치제어 성능이 매우 좋지 않다. 회전자 단락전류는 기생인덕턴스로 인해 고정자 전류보다 무조건 응답이 늦는데다 고정자에 항상 교류가 들어가야 하므로 위치제어의 구현이 안되는건 아닌데 동작이 많이 지저분해지고 성능이 매우 구리다. 예를들어 한 위치에 전동기를 고정시켜놓으려면 가해지는 부하의 방향에 따라서 교류의 회전방향을 계속 뒤집어야 한다. 그래서 보통 유도전동기를 위치제어에 쓰진 않는다. 이러한 단점들은 그냥 유도전동기가 어쩔 수 없이 가져가는 물리학적 한계이며, 전력전자공학으로 해결이 가능한 영역이 아니다. 당연히 대부분 유도전동기를 쓰는 현장에서는 이를 감안하여 전동기 성능에 더 여유를 두던지 더 정밀하게 성능을 예측하게끔 드라이브를 설계해서 최대한 커버한다. === 동기전동기 === 동기전동기도 [[로런츠 힘|플레밍의 왼손 법칙]]으로 토크를 발생시키는데 유도전동기와는 달리 동기전동기의 계자는 여자된 코일이나 영구자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 큰 차이점이 있다. 이렇게 회전자에 박혀있는 영구자석이나 전자석을 직접 밀고 당겨서 토크를 내는 원리이므로 유도전동기처럼 교류전원을 먼저 투입해서 회전자를 자화시키고 어쩌는 등 복잡한 걸 할 필요가 없으며, 회전자의 절대위치와 회전수에 맞춰서 교류전원이 투입되어야 제대로 성능을 낼 수 있다. 또한 반대로 고정자 회전자계의 회전속도에 맞춰서 회전자가 돌아가려는 성질을 가지기도 하므로 부하에 상관 없이 정속 회전이 필요한 시스템에 많이 사용되기도 하였다. 유도전동기는 슬립의 존재 때문에 외부요인에 따라 회전수가 쉽게 변동한다. 회전자 자계를 발생시키는 원리에 따라 여러가지 동기전동기가 있다. 일반적으로 계자자속원으로 영구자석이 대표적으로 많이 사용 되는데 영구자석 가격이 상승함에 따라 영구자석을 쓰지 않거나 비중을 줄인 비영구자석, 혹은 하이브리드 동기전동기도 많이 쓰이고 있고 최근에는 거의 쓰이지 않지만 아예 회전자까지 코일로 된 동기전동기도 있다. 어찌되었든 고정자 회전자계와 회전자가 동기 되어야 회전하는 전동기면 전부 동기전동기다. [[파일:external/blogfiles.naver.net/sycmotor.jpg]] 3상 동기전동기의 원리 ==== 장점 ==== * 높은 효율, 높은 출력밀도 동기전동기는 권선계자형을 제외하면 계자자속을 유지하는데에 별도의 에너지가 들어가지 않으므로 계자 자속을 만들기 위해 추가적인 전력을 투입하지 않을 수 있어 손실 요인이 감소한다. 이 장점은 영구자석 전동기와 비영구자석 전동기 모두 포함되는데 일반적으로는 당연히 계자자속의 생성에 에너지가 안들어가는 영구자석 쪽이 더 효율이 높다. 상술했다시피 높은 효율은 발열을 감소시키고 발열이 줄어든 만큼 전동기의 부피도 줄어든다. * 저소음 회전자에도 전류가 흘러야 하고 무조건 일정 이상의 교류전원이 들어가야 하는 유도전동기와는 달리 동기전동기는 그럴 필요가 없으므로 정숙성 확보가 약간 더 유리하다. 대용량일 경우에는 둘 다 소음이 필연적으로 나게 되고 전기적 소음은 드라이브의 영향도 커서 차이가 줄어들지만 보통 유도전동기 쪽의 주파수 변동이 더 심하고 회전자와 고정자의 진동에 의한 소음이 더해지기 때문에 동기전동기가 상대적으로 더 소음 대책을 세우기 쉽다. * 정속 회전 가능 모든 교류전동기는 회전수가 주파수에 비례하는 특성이 있지만 이건 부하가 없을 때의 이야기이기 때문에 실제로 상용 전원을 넣고 부하를 걸어보면 유도전동기는 슬립이 커지면서 회전수가 점점 떨어진다. 반면에 동기전동기는 상용 전원 조건에서 부하가 어느정도 실리더라도 회전수가 바뀌지 않으므로 초기기동만 잘 된다면 꽤 유용한 정속성을 얻을 수 있다. 그래서 상용전원을 주로 쓰던 시절에는 정속 구동용 모터로 많이 사용 되었다. 대신 부하가 너무 커서 동기전동기의 토크로 감당이 안되면 고정자 회전자계와 회전자의 동기가 깨지면서 그냥 뚝 서버린다는 문제가 있다. 이를 탈조라고 하며 이 상태에 빠져버리면 일반적으로는 전동기 스스로 탈출하기는 어렵다. * 위치제어에 용이한 특성 모터드라이브의 제어를 받는 동기전동기는 회전자의 위치에 따라서 모터드라이브가 전류의 위상각을 실시간으로 제어하는데 이 전류가 반드시 일정 주파수 이상의 교류일 필요가 없어서 정지상태 유지 등의 위치제어 성능이 매우 좋고 응답성이 뛰어나다. ==== 단점 ==== * 제작 단가 상승 일반적으로 동기전동기는 유도전동기보다 가격이 비싼데 영구자석 전동기야 희토류가 들어가는 시점에서 말해봐야 입만 아프고 비희토류 영구자석 전동기들도 자석 성능 개선 및 특이한 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가된다. 동기전동기의 회전자 형상이 현란해지는 이유는 유도전동기와는 달리 회전자 자기회로의 형상에 매우 민감하기 때문이다. 때문에 계자 자계를 원하는 형태로 성형하기 위해 추가가공이 발생한다. * 상용 전원 이용 곤란 직류전동기는 계자 자속과 전기자 자속의 위상차를 기계적으로 맞춰주는 정류자와 브러시가 존재하지만 동기전동기는 그러한 장치가 없기 때문에 교류전원을 무작정 때려넣으면 동기각이 맞지 않아 정상적으로 회전하지 못하고 부들부들 떨기만 한다. 미약하게 토크가 생기긴 생기는데 회전자 관성과 부하를 이길 만큼이 되지 않으니 연속적인 회전으로 이어지지 못하기 때문이다. 때문에 상용 전원에서 사용하려면 전동기를 상용전원 주파수에 맞게 먼저 회전시켜야 하는 등 이래저래 불편한 점이 많다.[* 비영구자석 동기전동기는 회전자 설계를 적절히 하면 상용 전원도 쓸 수 있게 설계할 수는 있다고는 하는데 일반적이진 않다.] * 높은 전자 의존도 위에서 설명했다시피 동기전동기의 동기각을 맞춰주려면 외부에서 회전자의 위치를 실시간으로 고려하여 전기자 전원을 투입해야 한다. 이를 위해서는 그냥 가변전압 가변주파수를 생성할 뿐만 아니라 자속의 방향도 함께 고려하는 벡터제어 알고리즘을 구현하는 모터드라이브를 사용해야 한다. 또한 회전자 자속각의 오차에 성능이 매우 민감하게 작용하므로 위치센서의 사용이 필수적이며 유도전동기와 같은 병렬운전 구성이 매우 어렵다. 보통 전동기의 극수가 많을수록, 최대 회전수가 높을수록 더 정밀한 위치센서가 요구된다. 이 때문에 전체 시스템의 초기비용이 크게 상승한다. 이 위치센서의 가격과 신뢰성이 정밀도에 따라서 상당하기 때문에 일부 모터드라이브들은 고성능 마이크로프로세서와 전동기 전압방정식의 응용을 결합해 위치센서 없이도 회전자의 각도와 회전속도를 추정하는 센서리스 제어를 구현하기도 한다. 센서리스 제어를 구현하면 위치센서를 생략할 수 있으므로 단가를 절감할 수 있고 상대적으로 전동기 기계설계가 자유롭다. 센서리스제어의 성능은 전동기 제정수 변화의 영향이 크므로 센서드 제어에 비해 주변환경에 더 민감하며 보통 역기전력 위상을 관측하여 구현되므로 역기전력의 크기가 충분치 않은 저속 조건에서 사용하기 어렵다. 이것은 위치정보에 민감한 동기전동기에게는 치명적인데 그래서 역기전력 관측이 어려운 저속 조건에서는 일정 주파수의 교류를 투입하여 강제구동 시키고, 그렇게 속도가 어느정도 붙으면 역기전력 관측법으로 넘어가는 방식이 거의 대부분이다. 강제구동 시에는 탈조 위험이 크고 충분한 토크를 기대할 수 없기 때문에 당연히 정지토크가 큰 경우에는 센서리스 제어법을 사용하지 않는다. 연구가 지속되면서 아예 저속 및 영속도 조건에서도 전동기를 구동할 수 있는 일명 고주파 주입법 등의 제어기법이 개발되기도 했다. 그러나 고주파 주입법의 구현을 위해서는 충분히 높은 제어 주파수와 하이엔드 마이크로프로세서, 매우 정확한 전동기 제정수 정보, 특히 자기저항 분포가 정현적이면서 충분히 돌극성이 큰 유형의 전동기가 요구되고[* 예를들어 표면부착형 영구자석 전동기들은 회전자 각도에 따른 자기저항의 편차가 거의 없어서 고주파 전류를 투입해도 유의미한 위치정보를 얻기 힘들다.] 구동전류의 리플, 전류제어 성능저하, 운전영역의 제한, 추가적인 소음, 낮은 위치정밀도, 극방향 판별 과정[* 알고리즘 원리 상 보통 자기저항이 최소가 되는 자속각을 찾는데 자기저항이 최소값이 되는 위치가 0도와 180도 2군데다. 그래서 현재 찾은 위치가 0도인지 180도인지를 판별해야 한다.] 추가 등의 명확한 단점을 갖는다. 때문에 위치센서를 사용하지 않으면서도 충분한 기동토크가 필요한 안정적인 저속구동이 필요한 솔루션에 전용으로 튜닝을 하여 사용된다.[* 대표적으로 에어컨 냉매 압축기 등등] 고주파 주입법은 기법이 갖는 단점으로 인해 보통 강제구동 전에 위치만 찾거나[* 극의 위치만 제데로 알고 있어도 최대토크로 강제구동을 시작할 수 있어서 그렇다.] 매우 극저속으로만 구동하고 속도가 약간 붙었다 싶으면 즉시 역기전력 관측법으로 바꾸는 것이 일반적이다. 고주파 주입법으로 연속적인 센서리스 위치제어가 불가능하진 않지만 전류제어 성능의 저하를 피할 수 없으므로 특별한 경우가 아니라면 사용하지 않는다. == 교류전동기 관련 용어 == === 브러시(Brushed) 전동기 === 위에도 서술했다시피 일반적인 교류전동기는 브러시가 없는 경우가 대다수이지만 있는 경우도 있다. 권선형 유도전동기나 계자권선형 동기전동기가 그 예인데 둘 다 계자자속의 제어가 필요한 경우이다. 브러시 전동기라는 명칭은 말 그대로 브러시만 붙었으면 교류전동기건 직류전동기건 붙을 수 있다. * 권선형 유도전동기 원리는 농형 유도전동기와 같으나 회전자를 권선으로 구성하고 2차 권선에 브러시를 붙인 뒤 저항을 연결하여 회전자의 저항을 조절할 수 있게 만들어진 전동기이다. 저항의 크기를 조절하여 2차 권선 전류를 제어할 수 있으므로 모터의 특성을 가변할 수 있다는 장점이 있지만 회전자가 권선인데다 저항까지 붙으므로 효율이 낮으며 슬립링과 브러시 때문에 수명이 짧다. 그나마 있는 장점이 성능을 제어할 수 있다는 점인데 전자제어가 상용화 되면서 더더욱 쓸모 없어졌다. * 계자권선형 동기전동기 회전자에 [[자석]] 대신 권선을 감아서 그 권선에 슬립링을 통해 전류를 흘려 계자자속을 제어할 수 있는 동기전동기이다. 영구자석이 없으므로 가격이 싼데다 영구자석이 온도에 민감하다는 문제점을 피할 수 있어 고온 운용도 어느정도 가능하고 계자 자속 제어가 용이하므로 소형 고토크 전동기 제작도 비교적 용이하다. 그러나 슬립링 때문에 직류전동기와 같은 수명 문제가 있고 계자를 여자시켜줄 추가 전원이 필요하다. 최근엔 비영구자석 동기전동기의 발달로 보기 어려워졌다. * 직교류 겸용 전동기 직류와 교류를 모두 직입해도 작동할 수 있는 전동기다. 일반적인 직류전동기와 구조가 거의 유사하고 실제로도 직류를 투입했을 때에는 직권 직류전동기와 동일하게 작동하지만 교류를 투입하더라도 계자 코일과 전기자 코일의 극성이 서로 착착 맞물리게끔 설계 되어 있어서 교류전원으로도 회전이 가능하고 회전수가 주파수를 따라가지 않는다. 때문에 교류 전원을 받으면서도 직류전동기처럼 굴릴 수 있어서 믹서기, 청소기, 드릴 등등 가정집에서 RPM이 높고 가벼워야 하는 기기에 많이 들어간다. 단점으로는 브러쉬와 정류자로 인해 직권 직류전동기의 모든 단점을 다 갖게 되며, 구조적으로 동일한 성능의 직류전동기에 비해서 크기, 성능, 효율, 수명이 모두 떨어진다. === 브러시리스(Brushless) 전동기 === 브러시리스 전동기들은 브러시 전동기와는 반대로 말 그대로 브러시가 없는 전동기를 전부 통칭한다. 때문에 전통적인 정의를 따른다면 거의 대부분의 교류전동기들은 전부 브러시리스 전동기다. 2010년 이후로 소형 영구자석 전동기가 RC나 드론 등에 많이 사용되면서 고유명사화가 된 경향이 있는데 정확한 표현은 아니다. 구조적인 이유로 브러시를 쓰는 AC 모터는 있지만 브러시가 없는 DC 모터는 엄밀하게는 없다. 직류 전원을 받는데 브러시도 없으면 극성을 스위칭할 방법이 없기 때문이다. 이런 유형의 전동기들은 BLDC라고 하며 외부 회로의 도움을 받아야만 제대로 회전한다. 이러한 내용은 [[브러시리스 모터|항목 참조]]. 해당 문서는 BLDC나 브러시리스 모터 등의 용어들을 정확하게 사용하고 있지 않고 있음을 유의해야 한다. ==== BLDC(Brushless DC) 전동기 ==== BLDC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 사다리꼴로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파로 순시적으로 변하는게 아니라 사각형에 가깝게 나오기 때문에 모터드라이브도 이런 파형 모양에 맞춰서 전압을 출력해줘야 제대로 제어할 수 있다. BLDC 전동기의 제어는 교류를 넣어준다기보다는 직류를 계속 상 순서를 맞춰 극을 바꿔가면서 넣어주는 개념에 가깝기 때문에 모터드라이브를 매우 간단하게 만들 수 있어서 소용량 위주의 수요를 가진다. 회전자가 상과 상 사이를 지난 후에는 파형이 직선으로 나가기에 각 상의 위치만 그때그때 알아내면 되므로 센서리스 구성도 매우 쉽고 회전자 위치도 정밀하게 알 필요가 없다. 대신 BLDC 전동기는 역기전력 상이 급격하게 바뀌므로 이 지점의 전류제어가 불안정해지는 특성이 있어서 이 지점에서의 코깅토크가 크게 발생하고 소음이 크며, 전기 잡음도 많이 만든다. 때문에 대용량 시스템에서는 적합하지 않다. '''BLDC 전동기는 벡터제어 드라이브를 제대로 사용할 수 없다.''' 이는 상술했다시피 BLDC와 BLAC를 제대로 구분하지 못해 생기는 오류인데 벡터제어법 자체가 역기전력의 분포가 정현파로 나타나는 전동기에만 유효하다. BLDC는 60도로 나누어 떨어지는 6개의 벡터 외에는 전류벡터가 무의미하므로 벡터제어라는 개념이 존재하지 않는다. 만약 BLDC 전동기에 벡터제어 드라이브를 쓰겠다면 그건 분명히 BLAC 전동기이거나 벡터제어 드라이브가 6 Step으로 작동중이거나 둘 다 아니라면 명백하게 잘못된 시스템을 구성한 상황이다. BLDC 전동기에 벡터제어 드라이브를 연결하더라도 구동이 불가능하진 않지만 드라이브가 예상하는 전류 파형이 실제와 다르므로 전류제어에 큰 외란이 실려서 전류리플이 매우 극심해지고 너무 심하면 제어가 깨지거나 스위칭 소자의 파손이 발생하기도 한다.[* BLDC 전동기를 벡터제어 드라이브에 물려도 차이가 눈에 잘 안띄는 경우도 꽤 있다. 하지만 이는 드라이브가 압도적인 전류제어 성능으로 파형 오차를 억지로 씹고 돌리고 있는거지 정상적인 상황이 아니다. 이렇게 되면 전동기 효율과 운전영역의 넓이를 상당히 손해보게 되므로 드라이브와 전동기의 특성을 가급적 맞춰줄 필요가 있다.] 반대로 벡터제어 드라이브가 6-Step 드라이브의 운전을 모사하는 것은 쉽게 가능하므로 자신이 구동하는 전동기가 BLDC임을 인식하고 있으면 그에 맞춰서 전동기를 운전하는 것은 가능하다. 벡터제어기법의 구현은 하드웨어가 아니라 소프트웨어로 갈리는 부분이므로 단가의 차이가 있지는 않아서 당연히 지금은 거의 대부분의 모터드라이브들이 벡터제어법을 기본으로 한다. BLDC라는 용어도 브러쉬리스와 마찬가지로 RC 및 드론에 많이 사용 되면서 그냥 영구자석이 들어가는 아무 모터나 BLDC 모터라고 부르는 경향이 크다. 실제로도 소용량 전동기 중에는 역기전력 형상을 AC로 뽑아놓고 BLDC라고 파는 업체도 꽤 흔한데 상술했다시피 전동기 특성의 차이가 매우 크기 때문에 명확하게 구분된다. 이렇게 작은 모터들은 전류파형이 불안정하다 한들 그냥 씹고 돌려도 큰 문제가 없기도 하지만 사실 역기전력 파형이 사다리꼴로 정확하게 나오게 만드는 것도 어느정도 사이즈가 되어야 할만한거지 너무 작으면 만들기가 힘들다. 그냥 소형 모터니까 대충 뽑아서 내놓던지 BLAC인데 고객들이 BLDC라고 부르니 BLDC라고 파는 것으로 보인다. 우리가 흔히 쓰는 쿨러들에 이런 저렴한 BLDC 전동기들이 들어간다. 저용량 BLDC 모터이기 때문에 이를 제어하는 제어소자도 새끼손톱만하고 기판도 무척 작게 만들 수 있음을 알 수 있다. ==== BLAC(Brushless AC) 전동기 ==== BLAC 전동기는 전동기의 역기전력 파형이 정현파로 나타나는 전동기들을 말한다. 역기전력이 정현파 모양으로 나가기 때문에 모터드라이브도 이런 파형을 만들어서 출력해줘야 제대로 제어할 수 있다. 온전한 교류전동기라고 할 수 있지만 이 정현파 모양을 회전자 위치에 따라서 실시간으로 뽑아줘야 하기 때문에 위치센서의 역할이 상당히 막중하며, 그만큼 모터드라이브 구성도 복잡할 뿐더러 고속으로 삼각함수 계산을 해야 하므로 DSP가 필수로 들어간다. BLDC와 반대로 BLAC 전동기는 역기전력 상이 부드럽게 바뀌므로 전류제어 성능이 언제나 일정하고 코깅이 적으며 전기적 충격이 거의 없어 대체로 고성능, 고용량 전동기들은 BLAC로 제작된다. 다만 토크의 일관성이 유도전동기보다 좋기는 어려운데 모든 위치에서 일정한 토크상수를 가지게 만드는 것은 거의 불가능하기 때문이다. BLAC 전동기는 실질적으로 인버터가 달린 PMSM과 동일한 전동기를 의미한다. 정확히는 어느정도 학력이 있는 사람들은 BLDC 전동기를 전자회로의 보조를 받는 직류전동기로 이해하는데 당연히 직류전동기는 동기라는 개념이 없으니 PMSM에 들어가지 않는다. 하지만 업계 내에서는 의미를 모호하게 쓰는 경우가 많아서 인버터가 달린 영구자석 BLDC인데 PMSM이라고 써놓기도 하므로 잘 알아보는게 좋다. == 교류전동기의 종류 == === 유도(비동기) 전동기 === * 농형 유도전동기 * 권선형 유도전동기 === 동기전동기 === ==== 영구자석 동기전동기(PMSM)[anchor(영구자석 동기전동기)] ==== 영구자석 동기전동기(PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor의 약자)는 계자 자속원으로 영구자석을 이용하는 전동기다. 영구자석으로는 페라이트, 네오디뮴, 사마륨 등을 이용하며 영구자석의 성능에 의해 전동기의 내열성과 성능이 갈리는 경향이 크다. 영구자석 동기전동기도 위에서 언급한 동기전동기 자체의 장단점을 가진다. 아래에 서술된 장단점은 영구자석 동기전동기가 가지는 장단점을 추가로 서술 한 내용이다. ===== 장점 ===== * 우수한 성능 곡선과 뛰어난 제어성 동기전동기의 동작 원리는 개념적으로는 직류전동기와 완전히 똑같기 때문에 성능 곡선도 비슷하게 그려진다. 일반적으로 최대 토크가 직선으로 쭉 뻗다가 최대출력점부터 토크가 내려오는 곡선을 가지거나 아예 0 RPM부터 최고 RPM까지 일자로 그려지기도 한다.[* 이런 유형의 전동기들은 전기적 설계 상으로는 더 높은 RPM도 사용할 수는 있으나 방열이나 기계적 사양, 혹은 용도 상 일부러 해당 영역을 사용하지 않는 경우에 해당된다.] 특히나 영구자석 동기전동기들은 제어성이 뛰어난데 유도전동기나 비영구자석 전동기들과는 달리 계자자속이 상수라서 전기자 전류와 토크가 선형으로 비례하는 환상적인 특성이 있어서 전류제어와 토크제어도 엄청나게 쉽고 특성을 시험하기도 수월하다. 때문에 불특정한 영구자석 전동기를 지원하는 범용 모터드라이브들도 흔하다. 자동 튜닝이 수월하기 때문이다. * 약계자 제어 가능 약계자 제어[* 약자속 제어라고도 한다.]는 원래 직류모터의 운전영역을 확장하기 위해서 계자 전류를 감소시키는 것을 의미한다. 이렇게 되면 계자 자속이 감소함에 따라 토크상수가 저하되지만 역기전력도 감소하기 때문에 전압 여유가 생겨 더 높은 회전수 영역에서도 모터를 구동할 수 있게 되어 결과적으로 운전영역이 크게 확장되는 이점이 있다. 영구자석 동기전동기는 고정자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리하고 이를 개별적으로 제어가 가능한 벡터제어 인버터를 적용함으로써 영구자석으로 인해 계자자속이 상수임에도 불구하고 직류모터와 동일한 개념으로 약계자 제어의 이득을 손쉽게 가져갈 수 있으며, 원래대로였으면 단자전압에 걸리고도 남을 회전수나, 아예 이론상 무한대의 회전수를 허용할 수도 있으며 확보 가능한 운전영역의 넓이도 가장 넓다. 반면에 유도전동기는 구동 원리 상, 전기자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리할 수는 있어도 이를 직접 제어 할 수는 없어서 슬립 주파수를 통한 자속 제어를 해야 하며, 더 까다로운 연산이 필요하고 성능도 안좋다. * 더더욱 높은 효율과 성능 영구자석 동기전동기는 출력밀도와 효율이 가장 높은 유형의 전동기다. 설계에 특별한 문제가 없으면 대체로 효율 90%는 코웃음 치면서 넘어가고 50kW가 넘는 중대형 전동기들은 95% 이상도 수월하게 찍는다. 아예 ABB[* ABB (ABB Group)는 전기차, 전기철도, 로봇, 에너지 관련 사업을 하는 다국적 기업이다. 스웨덴 ASEA(Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget)와 스위스의 Brown, Boveri & Cie (BBC)가 ASEA Brown Boveri로 합병하고 ABB로 줄여 부르게 되었다]는 효율이 '''99.05%'''인 44MW 동기전동기 제작에 성공하기도 했다. 보통 전동기는 대형일수록 효율을 좋게 만들기가 수월한데 권선의 두께를 크게 늘려 동손을 최소화하기 쉽고 동시에 고정자 강판의 두께와 크기가 전동기 전체에 비해 매우 얇아지게 되므로 철손까지 덩달아 확 줄어드는 효과가 있어서 그렇다. 반대로 손가락 정도 크기의 전동기들은 효율이 60%를 넘기면 잘만든 수준으로 평가된다. 이렇듯 대부분의 전동기들은 성능과 효율이 좋게 나오는 적정 사이즈들이 어느정도 정해져 있는 경향이 있다. ===== 단점 ===== * 내환경성 취약 영구자석은 열을 받게 되면 조금씩 자력이 저하되는데 이를 "가역감자"라고 한다. 영구자석 중 가장 강력한 [[네오디뮴 자석]]도 약 50~60℃부터 감자가 일어난다.[* 연구가 오랫동안 진행되면서 Nd-Fe-B처럼 200℃ 내지 250℃까지도 내열성을 끌어올린 네오디뮴도 있고 그 이상으론 사마륨코발트 자석으로 약 650℃까지 끌어낼 수 있게 되었다.] 다행히도 가역감자는 일정 수준까진 성능저하 폭이 크지 않고, 식으면 자력도 다시 돌아오므로 크게 문제가 되지 않는다. 그러나 자석이 너무 고온이나 저온에 노출되면 자력이 다시 복구 되지 않는 "불가역감자"[* 이 불가역 감자현상이 벌어지는 지점의 온도가 바로 [[퀴리#s-3|퀴리 온도]]이다.]가 발생할 수 있으며, 이 경우에는 모터의 힘이 영구적으로 떨어지거나 토크를 내지 못하게 된다. 또한 약계자 제어 등의 이유로 자석에 외부 자기장이 너무 강하게 가해질 경우에도 탈자가 되어버리면서 마찬가지로 자석이 맛이 갈 우려가 있다. 중요한 포인트는 모터의 영구적인 성능변화가 발생한다는 점인데 이는 전자제어를 자주 받는 동기전동기 특성상 바람직하지 않은 특징이다. 모터드라이브가 모터의 성능을 정확하게 예측할 수 없게 되므로 성능변동이 너무 심하면 아예 제어가 깨질 위험이 발생하기 때문이다. 또한 후술할 표면형 영구자석 전동기는 자석이 회전자 표면에 곡선으로 붙는데 이 접착제가 열화되면서 원심력을 버티지 못하거나 파손 될 위험도 있다. * 제작 단가 상승 및 낮은 생산성 애초에 '''영구자석의 원료 자체가 값비싼 [[희토류]]'''이고, 설령 희토류가 아닌 값싼 소재로 만들어낸 자석이라 해도, 자석의 성능 및 내구도 개선 등을 위한 특수처리를 굉장히 많이 해야 하기 때문에 단가가 팍팍 올라간다. 또한 영구자석의 상술된 특수처리비용 이외의 가공 역시 비용이 많이 들어가는데다가, 만들 수 있는 형태가 제한 되어 있고 깨지기도 쉽기 때문에 제작성이 나쁘다. [[네오디뮴]]이라는 희토류로 만든 매우 강력한 영구자석 중 하나인 [[네오디뮴 자석]]이 대표적인 예. 또한 다른 예를 들어, SPM은 원통형 회전자 표면에 자석이 붙어야 하기 때문에 자석 모양을 곡선으로 만들어야 하므로 가공비용이 비싸다. 대형 영구자석 전동기를 만들게 되면 그냥 유도전동기처럼 대충 가공해서 적층만 하면 끝이 아니라 회전자에 작은 자석 여러개를 붙이는 등의 특수한 작업이 필요하고 회전자와 고정자를 조립할 때에도 회전자에 붙은 영구자석의 자력이 고스란히 있으니 조립도 힘들어서 생산성이 매우 나쁘고 성능이 일관되게 나오기가 쉽지 않아서 양산성도 좋지 않다. 자석 자체의 성능이 일정하지 않은 경우가 꽤 있는데 이런 불량 자석은 걸러내기도 힘들고 수리도 힘들다. * 제어 불가능한 전류의 위험성 영구자석 전동기는 다른 기계와는 다르게 외부에서 힘을 받아 돈다고 해도 특별한 대책 없이 사양 상의 최대 회전수 이상으로 회전이 예상되면 주의가 필요하다. 왜냐하면 영구자석의 자기력이 어디로 가는게 아니므로 코일에 전압이 유기 되면서 발전기가 되기 때문이다. 이를 역기전력이라고 하는데 이 역기전력의 크기가 회전수에 비례하기 때문에 이런 이상전압을 흡수할 수 없을 경우, 회전수가 올라가면서 전원의 전압 이상으로 가버리는 등의 상황이 되면 사고가 발생할 우려가 있다. 특히 약계자 운전 중인 영구자석 전동기 시스템에서 오류가 났거나 위치센서가 맛이 가면 인버터 파손 등의 문제가 쉽게 발생할 수 있어 주의가 필요하다. * 더 높은 전자 의존도 특히 영구자석 계열 전동기들은 전자제어가 없이는 절대로 전동기의 성능을 100% 끌어낼 수 없다. 약계자 제어나 비싼 값만큼 높은 성능이 요구되는 경우가 많기 때문인데 이런 성능을 달성하기 위해서는 필수적으로 모터드라이브가 요구된다. ===== 종류 ===== 영구자석 동기전동기들은 자석의 형태와 착자 방향, 배치를 적절히 선정하여 특성을 최적화하고 깨끗한 정현파 AC 모터를 제작하기가 매우 수월하다. 자석이 회전자에 어떻게 배치되느냐에 따라 표면형과 매입형으로 나뉜다. * 표면형 영구자석 동기전동기 줄여서 SPM이라고도 한다. 회전자 표면에 자석이 부착된 형태의 전동기이다. SPM은 효율이 매우 높고 특성도 뛰어나 제어성이 우수하지만 회전자 표면에 영구자석을 직접 부착해야 하기 때문에 접착제와 테이프를 둘둘 감아놓는 식으로 제작되는 경우가 많은지라 내환경성이 나쁘고 고RPM으로 제작하기가 약간 불리하다.[* 자석을 고정하기 위한 테이프와 접착제가 나쁜 환경조건에서 열화되면서 원심력을 이기지 못하고 자석이 이탈할 수 있고, 표면에 자석을 붙이는 작업의 결과물이 일정하기도 어려워서 제품마다 일관성 없는 편심이 생기기도 쉽다.] 그래서 확실한 내구력이 필요하면 아예 통째로 몰딩을 해버리기도 한다. 또한 회전자의 표면에 맞춰서 자석을 곡선으로 가공해야 한다는 불편함도 있다. * 매입형 영구자석 동기전동기 줄여서 IPM이라고도 한다. SPM과 유사하지만 회전자 내부로 자석이 매입되는 형태의 전동기이다. 표면에 붙일 필요가 없으므로 자석의 형태와 배치가 상대적으로 자유롭고 회전자 내구력이 더 뛰어나며 SPM보다도 더 높은 출력밀도를 획득할 수 있다. 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 자기저항에 의한 릴럭턴스 토크를 모두 활용할 수 있으므로 영구자석 비영구자석 하이브리드 전동기라고 할 수 있다. 다만 이 때문에 전류 토크 곡선이 비선형이 되어 계산이 까다로워지고 상대적으로 모터 상수의 변화에 취약해지며 SPM에 비해 제어성이 나빠진다는 단점이 있다.[* 자석의 성능은 변화가 거의 없어서 상수로 봐도 되는데 릴럭턴스 토크를 내기 위한 자기저항이 모터의 주파수와 전류에 따라 변화폭이 크다.] 특히 돌극비가 큰 IPM은 전압이 남아 돌더라도 약계자 제어를 하는 경우가 많다. 왜냐하면 약계자 제어를 해서 손해보는 마그네틱 토크보다 릴럭턴스 토크가 더 커서 약계자 제어를 해줘야 최대토크를 낼 수 있는 경우가 많기 때문이다. 이 경우엔 센서 의존도가 더 높아지고 센서리스 운전 난이도도 훨씬 높다. IPM 전동기는 로터의 특성상 d축과 q축의 인덕턴스에 차이가 있는데, 이를 돌극성(Saliency) 이라 한다.[* SPM 전동기는 표면에 자석이 원통 형태로 일정하게 붙어있어 거의 일정한 Ld-Lq를 가진다.] 이런 특징으로 인해 로터의 각도에 따라 전동기의 각 상의 인덕턴스에 연속적인 변화가 발생하는데, 인버터에서 고정자에 고주파를 주입하여 인덕턴스 변화를 추적하므로써 엔코더 없이 정지 상태나 저속 운전 상태에서 회전자의 각도를 판독할 수 있다. 이를 고주파 주입법(High frequency injection)이라 하는데 원리를 더 쉽게 설명하자면 전동기 자체를 레졸버처럼 굴리는 것과 거의 같다고 볼 수 있겠다. 고주파 주입법을 철도 차량 같은 대형 시스템에서는 난이도가 좀 있다. 왜냐하면 주입되는 고주파 전류의 주파수가 높을수록, 고주파 전류의 크기가 클수록 추정성능이 좋아지는데 보통 대용량 전력소자들은 이렇게 높은 주파수의 전류를 안정적으로 성형해낼 정도로 스위칭 주파수에 여유가 없는데다 그런 고주파 전류를 정밀하게 잡아낼 정도의 대용량 전류센서도 찾기 어려워서 그렇다. 그래서 이런 조건에서는 위치추정이 가능할 정도의 고주파 전류를 주입하게 되면 유의미한 수준의 잡음, 진동, 소음이 올라올 가능성이 높고 특히나 IPM은 탈조가 전류제어 깨짐으로 이어지기 쉬워서 철도 같은 대형 시스템에서 센서리스 제어법을 채용하는 것은 위험하기도 하고 개발이 쉽지도 않다.[* 특히나 화물열차 같은 경우엔 고토크 저속 조건이 잦아서 아예 센서리스 제어가 허용되는 조건이 안나온다.] 결정적으로 센서리스 제어를 쓰는 이유 자체가 시스템 단가를 줄이려고 하는 것인데 이런 대형 시스템은 정밀한 위치센서가 필요한 것도 아닌지라 전체 단가에서 위치센서가 차지하는 비중이 얼마 안되므로 개발 난이도에 비해 얻는 이득이 거의 없다. 그래서 보통은 그냥 위치센서를 쓰는 경우가 많다. 이런 환경에서 쓰라고 로터리 엔코더나 레졸버 같은 견고한 위치센서들이 개발되는 것이다. ==== 비영구자석 동기전동기 ==== 동기전동기는 동기전동기인데 영구자석이 없는 동기전동기다. 영구자석이 없으므로 희토류를 쓰지 않아 유도전동기의 저렴하다는 장점을 가지면서도 제어성과 효율이 상대적으로 좋은 동기전동기의 이점도 얻을 수 있다. 다만 자기저항 분포를 원하는 모양으로 깔끔하게 만들기도 어렵고 그나마도 온도, 전류, 주파수에 따라 변화가 심하기 때문에 특성이 무척 나쁘고 코깅토크가 매우 크며, 유도전동기보다는 낫지만 영구자석 동기전동기만큼의 성능과 효율을 가지지는 못한다. 이런 유형의 전동기들은 자석이 없는 대신 릴럭턴스 토크를 이용하며, 이에 따라 릴럭턴스 전동기라고도 부른다. 릴럭턴스 전동기는 자기저항이 작아지는 방향으로 자석들이 정렬 되는 원리를 이용한다. 예를 들어 원통형 쇳덩이에 자석을 들이대고 이리저리 흔들어도 원하는 방향으로 쇳덩이가 끌려오지 않는데 그 이유는 어디에 갖다 대도 자화의 정도가 같기 때문이다. 그러나 이 쇳덩이를 톱니바퀴처럼 깎아놓고 자석을 들이대보면 톱니가 튀어나온 부분으로만 자석이 끌려갈 것이다. 이는 톱니가 튀어나온 부분이 쇳덩이와 자석 사이의 최소거리가 되는 부위이기 때문이며, 이 부분이 바로 자기저항이 최소가 되는 부분이기 때문이다. 릴럭턴스 전동기는 회전자 형상을 위치에 따라서 자기저항이 크게 변동하는 구조로 만들게 하고 고정자의 자계 방향을 적절하게 맞춰서 자기저항이 큰 부분에서 작은 부분으로 회전자가 딸려가게끔 상대위치를 유지함으로써 토크를 발생시키게 된다. 이런 이유로 대부분 릴럭턴스 전동기들은 별도의 전자제어를 받아야만 원활한 구동이 가능한 경우가 많다. 특히 회전방향을 바꾸기 위해서는 회전자계 방향을 뒤집기만 해서는 안되고 토크각도 뒤집어서 넣어줘야 하므로 고성능 제어를 위해서는 벡터제어와 위치센서가 필수적이다. 또한 계자자속이 전기자 전류를 따라가니 약계자 제어도 쉽고 역기전력의 한계를 받지 않아서 고속 전동기를 만들기도 좋다. 다만 릴럭턴스 전동기들은 기본적으로 역률도 안좋고 자기포화 문제로 고토크 전동기를 만들기 어려우며, 최대출력 특성이 너무 구려서 운전영역 전체를 활용하는 어플리케이션에 써먹기엔 고속토크가 많이 안좋다. 이를 보강하기 위해서 약간의 영구자석이 붙기도 한다. * 동기 릴럭턴스 전동기 줄여서 SynRM이라고도 한다.[* Synchronous Reluctance Motor] 회전자 자기저항 분포가 정현파로 나타나게끔 설계한 전동기이며, 따라서 정현파 교류를 투입해야 작동한다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLAC라고 생각하면 될 것이다. 설계에 따라서 유도전동기처럼 직입기동이 가능하게 만들 수도 있으며, 이 경우에는 유도전동기의 직입기동 특성과 동기전동기의 정속도 특성을 모두 가질 수 있다. 그래서 과거 영사기에서 많이 사용 되었다. 정현파 전원 기반이기에 안정적이고 그나마 특성이 쓸만하게 나오는지라 고성능 릴럭턴스 전동기들은 대부분 동기식으로 제작 된다. 우리가 볼 수 있는 제품 중에는 전기자동차 중 [[테슬라 모델3]]의 전동기가 PMASynRM(영구자석보조 동기 릴럭턴스 전동기)로 되어 있다. * 스위치드 릴럭턴스 전동기 줄여서 SRM이라고 한다.[* Switched Reluctance Motor] SynRM과 달리 회전자가 완전히 네모네모하게 돌극비를 가지도록 되어있으며 이 때문에 회전자 형상이 거의 톱니모양처럼 나타난다. 회전자 위치에 맞춰 직류 전원의 극을 교번해서 투입해야 하며, 직입기동 구성은 불가능하므로 모터드라이브가 반드시 필요하다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLDC라고 이해하면 될 것이다. 당연히 회전자 형상이 저러니 코깅토크도 무지막지하고 소음도 무지막지하다. 대신 그냥 돌려도 회전수가 올라감에 따라 약자속 효과가 손쉽게 나타나고 이 덕분에 영구자석이 없는 초고속 전동기를 저렴하고 튼튼하고 간단하게 써먹을 수 있다는 장점이 있어서 고성능 자동차에 들어가는 슈퍼차저 등이 SRM으로 제작 된다. 이 SRM에서 극수를 엄청나게 늘리고 직류 단락전류로 제어하면 스테핑 모터가 된다. 스테핑 모터도 영구자석을 안쓰고 릴럭턴스 토크만으로 스톨 토크를 만드므로 릴럭턴스 전동기의 일종이다. [각주] [[분류:전기]]캡챠되돌리기