4種 4色 브러시리스 모터
4種 4色 브러시리스 모터
  • 윤진근 기자
  • 승인 2018.03.10 10:03
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

‘뜨거운 감자’ 4종류의 장단점 소개
기술이 발전함에 따라 브러시리스 모터 기술도 여러 갈래로 뻗어나가고 있다. 하지만 브러시리스 모터 세계에서도 강자는 존재한다. 유도(인덕션) 모터·영구자석 모터·동기 자기저항(릴럭턴스) 모터·변환 자기저항(스위치드 릴럭턴스) 모터가 그 주인공이다. 이들 제품 중 하나를 선택하고자 할 때 참고할 만한 지침을 소개한다.

기술자들은 설계에 사용할 브러시리스 모터를 선택하는 과정에서 다양한 선택의 순간을 마주한다. 부적절한 장치 선택은 평이한 설계 및 시장에서의 도태를 야기한다. 선택의 순간에서 신중을 기울여야 하는 이유다. 

이 글에서는 기술자와 설계자들이 프로젝트에 적합한 브러시리스 모터를 선택할 수 있도록 주로 사용하는 4가지 제품의 장점과 단점을 간단히 설명한다. 4가지 제품이란, AC 유도 모터(IM)·영구자석 모터(PMM)·동기 자기저항 모터(SynRM)·변환 자기저항 모터(SRM) 등을 일컫는다.

 
AC 유도 모터
AC 유도 모터는 오랜 기간 산업의 역군으로 활약했다. 여기엔 합당한 이유가 있다. AC 유도 모터는 단순하면서도 합리적인 성능을 발휘하기 때문이다. AC 전원으로 직접 구동할 수 있다는 점 역시 이 모터에게 힘을 실어주었다. 과거에는 AC 전원 기능이 매우 중요한 역할을 했던 것.

고급 전력전자기술 및 디지털 신호처리기술이 등장하면서, AC 유도 모터는 비교적 저렴한 비용으로도 빠른 속도를 자랑하게 되었다.

동시에 현대 제어 알고리즘의 등장에 힘입어, 상대적으로 가격이 비싼 브러시 모터가 필요한 응용사례에서도 유도 모터를 활용할 수 있게 되었다. 그 결과 에너지 절약이라는 특징을 통해 재정적·환경적 이점을 누릴 수 있게 되었다. 다양하고 포괄적이며 비용을 중요시하는 응용사례에서 AC 유도 모터를 쉽게 찾아볼 수 있는 이유다. 최근에는 전기자동차·세탁기·세척기뿐 아니라 펌프·팬·블로워·자재관리 등의 산업 분야에서도 AC 유도 모터를 발견할 수 있다.

유도 모터는 회전(교대)하는 고정자 영역과 회전자 도체에 의해 유도되는 전류 사이의 상호작용을 통해 토크를 만든다. 이때 작용하는 전류는 회전자에 열을 일으키며, 베어링의 효율과 수명을 낮추는 원인으로 작용한다. 이 경우 회전자 도체를 기존에 사용하던 알루미늄 및 구리 재질로 교체하는 것이 어느 정도 도움이 된다. 하지만 이러한 재질의 제품은 가격이 비싸며, 따라서 현장에 즉각 배치하기에는 무리가 있다.

유도 모터는 고정자의 전기적인 시간 상수가 길다. 따라서 부하 혹은 속도의 변화에 대응할 수 있는 빠른 응답속도를 보장하기 위해 최대 기저 속도만큼의 일정한 자속에서 모터를 작동하는 것이 일반적이다. 

하지만 여기서 발생하는 자화 손실은 유도 모터가 얼마나 힘겹게 혹은 강하게 작동하는지의 여부에 상관없이 빈약한 경부하 효율(Light-Load Efficiencies)을 야기한다. 

낮은 속도에서 고정자의 자속을 자동으로 줄임으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 하지만 이는 빠른 제어 응답이 중요치 않은 경우에 한한다.

기저 속도를 넘는 빠르기로 제품을 작동하면 고정자 영역이 약해진다. 공급 전압이 제한적이기 때문이다. 따라서 AC 유도 모터를 제어하고자 할 경우에는 일정한 기계 동력을 제공하도록 설정하는 것이 일반적이다. 

하지만 이 방법을 선택할 경우 효율성이 떨어진다. 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance)로 인해 회전자 전류(Rotor Current)가 회전자계보다 뒤처지기 때문이다. 회전자 전류에 특정한 토크가 필요한 이유다. 따라서 제어 하에 있는 AC 유도 모터는 정전력 속도범위(CPSR)의 약 2:1 정도로 제한된다.

공작기계나 자동차 견인 등 보다 넓은 정전력 속도범위가 필요한 응용사례에서는 권횟수를 줄이고 느린 속도에서의 과도한 토크를 낮춤으로써 요구사항을 충족할 수 있다. 높은 고정자 전류는 가격이 비싸고 효율이 낮은 인버터라는 결과로 이어진다.

유도 모터는 기입 플레이트 효율성이 높아 온전하고 순전한 사인파 작업을 제시한다. 하지만 실제 사례에서 인버터는 근사치 사인파 전류 및 여기에 가까운 펄스만을 제공한다. 

사용자는 유도 모터에서 인버터에 이르는 전체 시스템의 효율성이 각각의 모터 및 인버터가 제시하는 수치보다 낮음을 인지해야 한다. 이 경우 높은 반송주파수가 도움이 될 수 있다. 하지만 모터 성능이 높아지면 이에 대응해 더 높은 인버터를 구매해야 하며, 따라서 비용 면에서 손실을 초래한다. 다른 해결책으로는 인버터와 모터 사이에 필터를 부착하는 것이 있다. 이 방법은 가격이 저렴한 대신 추가적인 전력 손실을 야기한다. 필터 크기가 상대적으로 큰 것 역시 단점이다.

AC 유도 모터가 가진 또 다른 단점은 고정자 권선이 고정자 철심 내의 많은 구멍(슬롯)에 분산되어있다는 점이다. 이는 공간과 에너지를 낭비하는 긴 자리감김(End Turn)으로 이어진다. 

오늘날 IE4 등급으로 판매되고 있는 모든 제품 중에서 유도 모터만이 인버터를 필요로 하지 않고 있다. 현재 유럽 표준(IEC 60034)은 전자 제어를 필요로 하는 모터를 예외로 두고 있다.

 
영구자석 모터
영구자석 모터는 고정자 전류와 회전자 위 혹은 회전자 내부에 있는 영구자석 사이의 상호작용을 통해 토크를 만든다. 표면 회전자 자석(Surface Rotor Magnet)은 IT 장비와 사무기기 그리고 자동차 보조 기기 등에 주로 사용되는, 크기가 작은 저 전력 모터에 주로 쓰인다. 한편, 내부 자석(Interior Magnet)은 일반적으로 전기자동차나 산업용 모터 등 비교적 크기가 큰 장비에 쓰인다.

영구자석 모터에 사용되는 고정자는 토크 리플(토크 폭의 변동 및 편차)이 큰 영향을 미치지 않는 경우, 집중되어있는(피치가 짧은) 권선을 사용하기도 한다. 하지만 분산되어있는 권선(Distributed Winding)이 영구자석 모터의 표준이자 규범임을 명심해야 한다.

영구자석 모터는 기계로 작동하는 정류자(Mechanical Communitator)가 없다. 따라서 권선 전류를 제어할 수 있는 인버터가 필요하다. 

영구자석 모터는 여타 브러시리스 모터와 달리 자기장을 받쳐주기 위한 전류를 필요로 하지 않는다. 따라서 영구자석 모터는 같은 용적 대비 가장 많은 토크를 전달한다. 작은 크기 및 가벼운 무게가 중요한 고려사항일 경우 좋은 선택인 이유다. 자화전류가 없다는 것은 또한 ‘스윗 스팟(야구 용어로, 배트로 공을 치기에 가장 효율적인 곳을 의미한다. 여기서는 가장 적절한 작업지점이라고 해석한다. 편집자 주)’에서 보다 높은 효율을 달성케 한다.

영구자석 모터가 가지고 있는 눈에 띄는 단점 중 하나는 높은 비용이다. 고성능 영구자석 모터는 네오디뮴 및 디스프로슘 등 전이금속으로 만든 자석을 사용한다. 이들 재료는 희귀하고, 지정학적으로 불안정한 지역에서 생산된다. 따라서 가격대가 높으며, 이동 폭 역시 불안정하다.

영구자석은 저속에서 성능적인 이점을 자랑하기는 하지만, 기술적인 측면에서 아킬레스건이 있다. 일례로 영구자석 모터의 속도가 증가함에 따라 역 기전력(Back EMF)이 인버터 공급 전압에 가까워지고, 따라서 권선 전류를 제어하는 것이 불가능하게 된다. 이 현상은 영구자석 모터의 일반적이고 포괄적인 기저 속도를 결정하며, 자석 표면 설계에서 공급 전압에 대한 최대 속력을 표시하는 표본으로 작용한다.

기저 속도보다 더 빠른 속도에서는 영구자석 모터가 활동 계자를 약화시킨다. 또한 의도적으로 자석의 흐름을 부진하게 떨어트리도록 고정자 전류를 조작한다. 이를 안정적으로 구현할 수 있는 속도 범위는 약 4:1 정도로 제한된다. 여기서 또한 권횟수를 줄임으로써 제약을 피하고 장치 비용 증가 및 인버터의 전력 손실을 예방할 수 있다.

계자 약화(Field Weakning)의 필요성은 주로 속도와 관련이 있다. 또한 토크와 상관없이 발생하는 손실과도 연관성이 있다. 계자 약화는 높은 속도로 효율을 떨어트리며, 경부하에서 이러한 현상이 두드러진다. 이러한 점은 전기자동차 분야에서 중요한 문제로 대두되는데, 예를 들어 고속도로를 달릴 때 발생하는 높은 속도는 불가피하게 계자 약화를 수반하기 때문이다. 

영구자석 모터는 전기자동차 분야에서 인기 있는 제품이다. 하지만 실제 구동주기를 계산할 때 효율 측면에서의 이점은 여전히 미심쩍다. 

재미있는 점은, 유명 전기자동차 제조업체 중 최소 한 회사 이상이 영구자석 모터에서 유도 모터로 장치를 변경한 바 있다는 점이다.

영구자석 모터가 가진 다른 단점은 모터 고유의 역 기전력으로 인해 고장에 대한 대처 및 관리가 어렵다는 점이다. 모터가 고장을 일으키면 모터가 회전함에 따라 결함이 있는 권선으로 계속해서 전류가 흘러들어간다. 인버터와의 연결을 해제하더라도 흐름을 멈출 수 없다. 이는 코깅 토크와 과열의 원인이 되는데, 양쪽 모두 장치에 위험요소로 작용한다. 예를 들어 인버터가 오작동을 일으키거나 정지함으로 인해 고속에서 계자 약화를 손실했을 경우 모터 제어가 불가능한 상황을 야기하며, 인버터의 DC 버스 전압이 위험한 수준까지 올라갈 수 있다. 

작동 시의 온도 역시 중요한 제약 요소다. 사바륨 코발트 자석을 탑재한 제품을 제외한 모든 제품이 작동 온도에 영향을 받는다. 인버터의 고장으로 인해 발생하는 현상인 높은 모터 전류 역시 감자(Demagnetization. 자화되어 있는 것을 자화되지 않은 상태로 만들거나 정도를 약하게 하는 현상. 편집자 주) 현상으로 이어질 수 있다.

영구자석 모터의 최대 속도는 기계 자석의 유지 및 보수에 의해 좌우된다. 영구자석에 손상을 입은 경우, 이를 수리하기 위해 공장으로 장비를 반환해야 한다. 회전자를 안전하게 제거하고 적절하게 취급하기 어렵기 때문이다. 

수명이 다한 영구자석 모터를 다시 활용하는 것 역시 골칫거리다. 재활용에도 많은 공정과 돈이 들기 때문이다. 하지만 현재는 희토류 가격이 비싸므로 재활용하는 것이 더욱 저렴할 수 있다. 이로 인해 선택의 여지를 남기고 있는 실정이다.

많은 단점에도 불구하고, 영구자석 모터는 저속 및 스윗 스팟에서의 효율성 측면에서 여전히 타의 추종을 불허하는 성능을 발휘해 많은 사랑을 받고 있다. 또한 크기 및 무게가 중요한 요소인 응용사례에서 역시 유용하게 사용하고 있다.

 
동기 자기저항 모터
오늘날의 동기 자기저항 모터는 인버터를 공급하는(Inverter-Fed) 형식을 갖추고 있으며, AC 유도 모터처럼 권선이 분산되어있는 형태를 취하고 있다. 하지만 동기 자기저항 모터의 회전자는 구멍이 뚫린 라미네이트 강 재질로 되어있다. 따라서 특정한 한 축에서는 쉽게 자화할 수 있지만, 다른 축에서는 상대적으로 그 능력이 덜하다. 

회전자는 고정자 영역이 회전할 때 그와 맞추는 경향이 있다. 이러한 성질이 모터의 회전력을 만들어낸다. 또한 영구자석 모터의 그것과 마찬가지로 자가 동기(Self-Synchronous)식으로 작동한다. 인버터가 회전자의 각도와 속도에 맞춰 고정자의 자화를 동기화함을 의미한다. 

동기 자기저항 모터의 주요 장점은 AC 유도 모터에 비해 고정자의 손실 계수가 무시해도 될 정도로 낮다는 점이다. 또한 신중한 설계 및 적절한 제어만 뒷받침된다면 별도의 자석 없이도 유럽 IE4 및 NEMA 수퍼 프리미엄 표준 등의 모터 효율성에 대한 지침을 충족할 수 있다. 이 모터는 발열이 적어 AC 유도 모터 대비 토크 및 전력 밀도가 높으며, 정해진 등급에서 한 단계 낮은 프레임 크기를 실현한다. 토크 리플이 적고 진동 수준이 낮아 소음이 적은 것 역시 장점이다.

동기 자기저항 모터의 단점 역시 꾸준히 논의되고 있다. 대표적으로 AC 유도 모터와 비교했을 때 역률(Power Factor)이 낮다는 점이 있다. 따라서 주어진 기계의 동력 수준에 비해 상당히 많은 인버터 전류가 필요하다. 이는 비용 증가와 인버터 전력 손실이라는 결과를 야기한다. 

동기 자기저항 모터는 효율이 높기는 하지만, 전체 장치 수준에서의 이점에 대해서는 설득력이 부족하다. 현재의 표준은 오직 모터만으로 작업했을 때의 효율성에 대해서만 논하고 있다. 따라서 설계자들은 전체 시스템의 성능 측면에 대해 신중하게 고려해야 한다.

동기 자기저항 모터의 회전자는 제조공정이 복잡하다. 회전자 특유의 구멍이 뚫린 자속 장벽(Punched Flux Barrier)이라는 형태로 인해 연철판(Lamination)이 필요하고, 이로 인해 회전자 제조가 어려워지는 것. 제품이 다소 약하며 깨지기 쉽다는 점 또한 단점이다. 따라서 고속으로 작동하는 작업에 사용하기에는 부적절하다.

동기 자기저항 모터는 현재 과부하의 범위가 크거나 고속 작업이 없는 산업분야에서 광범위하게 활약하고 있다. 또한 그 효율성으로 인해 변속 펌프(Variable Speed Pump) 등의 분야에 사용되는 경우가 점차 늘어나고 있다.

 
변환 자기저항 모터
변환 자기저항 모터는 자성이 두드러지는(Magnetically Salient) 회전자를 고정자 영역에 접근시킴으로써 토크를 생성한다. 하지만 비교적 적은 극(極)을 가지고 있다. 

변환 자기저항 모터의 회전자는 자기적인 철극성(Magnetic Saliency)이 단순하다. 자기저항 모터 내부의 자속 장벽이 없는 대신 톱니를 탑재(Toothed Profile)했기 때문이다. 

변환 자기저항 모터는 고정자와 회전자 사이의 극 숫자에 차이가 있어 버니어 효과를 유발한다. 회전자는 보통 고정자 영역과 반대 방향 및 다른 속도로 회전한다. 

동기 자기저항 모터와 달리 변환 자기저항 모터는 펄스 DC 여자(Pulsed DC Excitation)를 사용하는 것이 일반적이다. 펄스 DC 여자를 사용하기 위해서는 특수한 인버터가 필요하다.

변환 자기저항 모터의 자기장을 지원 및 제어하기 위해서는 어느 정도의 전류가 추가로 필요하다. 전류를 별도로 사용해야 하는 것. 이러한 이유로 인해 영구자석 모터 대비 낮은 토크 밀도 및 스윗 스팟 효율을 야기한다. 

변환 자기저항 모터가 가진 주된 장점으로는 여자가 줄어들 때 계자 약화 현상이 자연적으로 일어나며, 효율성이 떨어지지도 않는다는 점이다. 이는 큰 어려움 없이 넓은(10:1보다 큰) 정전력 속도범위로 이어진다. 보다 빠른 속도 및 가벼운 부하 내에서도 좋은 효율을 발휘하며, 작동 범위가 넓어져도 일정한 효율을 제공한다.

변환 자기저항 모터는 또한 고장허용한계가 현저히 높다. 이 모터는 자석이 없고, 제어가 불가능한 토크가 없으며, 따라서 높은 속도에서 권선이 고장을 일으켰을 경우에도 제어 불가능한 전류가 발생하지 않는다. 또한 전기적으로 독립되어있어 하나 이상의 상이 제대로 작동하지 않을 경우 출력 역시 이에 비례해 줄어든 채 작동한다. 고장 방지 기능을 원하거나 불필요한 장치를 제거하고자 할 때 유용하게 사용할 수 있는 기능이다.

변환 자기저항 모터는 구조가 단순하다. 따라서 내구도가 높고 제조비용이 저렴하다. 값비싼 재료가 필요 없는, 평범한 철로 된 회전자는 고속 응용사례 및 거친 환경에 적합하다. 고정자 코일의 길이가 짧아 권선 합선의 위험이 적다. 또한 자리감김이 짧아지므로 제품 크기가 작아지며 불필요한 고정자 손실 역시 피할 수 있다.

변환 자기저항 모터의 역률은 AC 유도 모터나 영구자석 모터보다 낮다. 하지만 인버터의 효율적인 모터 작동을 위해 사인파를 합성할 필요가 없으며, 따라서 인버터의 스위치 주파수와 이로 인한 변환 손실 또한 낮다.

변환 자기저항 모터의 주된 단점으로는 소음과 진동을 꼽을 수 있다. 단, 소음과 진동은 섬세한 장비 설계와 전자 제어 그리고 응용사례에 맞추어 모터를 설계하는 작업 등을 통해 조절할 수 있다. 

변환 자기저항 모터는 여타 모터에 비해 개방 토크(Breakaway Torque) 및 과적 토크(Overload Torque)가 크다. 이로 인해 개방 과적 토크 특성을 십분 활용하고자 하는 다양한 응용사례에서 활약하고 있으며, 지금도 그 범위를 넓히고 있다. 특히 격한 자재운반 분야의 사용이 눈에 띄게 늘고 있다. 

최근에는 변환 자기저항 모터의 높은 과부하 능력과 넓은 정전력 속도로 인해, 지금까지는 모터가 진출하지 못했던 차량 견인 분야에서도 매력을 발산하고 있다. 다양한 자동차 관련분야에서 관심을 갖고 있는 것. 

지금까지 차량 견인 분야에 진출하지 못했던 것에는 아마 소음이나 토크 리플에 대한 우려가 큰 역할을 했을 것으로 사료된다. 하지만 내연기관이 그 엄청난 크기에도 불구하고 성공을 거두었음을 생각해보면, 모터의 도입을 고려해봄직하다.

주요기사
이슈포토