동기방식? 유도방식? 복잡해 보이는 전기차의 모터를 간단히 정리하다



 지난번 BLDC 모터에 이은 두 번째 글입니다. 지난 글에서 BLDC가 좋은데 굳이 AC 모터를 쓸까. 마무리 지었었는데요.


 글쎄요. 전기차의 에너지원인 리튬이온 배터리가 직류임을 떠올려 본다면 굳이 교류 모터를 쓸 이유가 없지요


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 그럼에도 AC 모터를 쓰는 이유는 무엇일까요? 


 바로 DC에 비해 싸고 (정확히는 유지비가 저렴하고) 효율이 좋기 때문입니다


 DC 모터는 구조는 단순하나 브러쉬라는 정류자가 필요하여 모터를 자주 보수해 주어야 합니다.




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 반면 AC 모터는 브러쉬가 없어 유지보수가 용이하고, 철심에 코일만 감아 사용하면 되기 때문에 원리가 단순한 편입니다. (비동기-유도 전동기)




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 어래? 교류는 위상차 때문에 컨트롤이 복잡한 걸로 알고 있는데요?

 

 네, 맞습니다. 그런데 AC 모터의 구조, 아니 그전에 교류전원이 만들어 지는 방식을 한번 떠올려 보세요




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 발전소의 터빈에 연결된 발전기가 전기를 생산하는데요. 이 발전기라는 것이 AC 모터와 구조가 동일합니다. 모터에 전기를 공급하면 회전을 하고, 회전을 가해 주면 전기가 생산되는, 결국 같은 물건입니다





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 따라서 AC 모터 자체는 사용이 어렵지 않지요. 발전기와 같은 구조의 모터를 교류전원에 '꼽아' 사용하면 될 뿐입니다. 문제는 AC 모터의 속도제어가 까다롭다는 점. 즉 속도제어 측면에서의 컨트롤이 다소 복잡합니다.

 

 토크 제어를 위해서는 전압을 오르내리면 될 뿐이지만, 토크를 일정하게 하고 속도를 제어하기 위해서는 주파수를 변조하거나, 코일에 유도전류를 만들어내는 시간차(슬립)을 조절해야 합니다.



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 그런데 이미 이 기술은 공돌이가 열심히 갈려 1960년대에 상용화 된 테크놀러지 입니다. 개념이 다소 복잡할 뿐, 어려운 기술이 아니란 이야기입니다


 보편적인 기술이니 가격이 그리 비싸지 않겠지요? 마치 폴더폰이 복잡한 기술을 쓰더라도 가격이 저렴한 것 처럼요.


(물론 AC 서보모터와 같이 정밀 제어가 필요한 경우는 다릅니다만)




전기차의 AC 모터와 DC 모터의 차이에 대해 한단히 알아보자8

출처 : www.hiwtc.com 



 게다가 AC 모터 자체도 DC 모터와 비슷하게 진화해 왔습니다. 유도전류를 사용하는 유도-비동기 모터에서, 슬립 없이 회전축을 돌리는 동기 모터로 발전했습니다


 유도모터는 코일에 유도전류를 일으켜 자력을 이용하는데요. 자력은 유도전류의 변화값에 비례해 만들어 지므로, 고정자에 한 차례 전류가 흘러가고 난 뒤에야 비로서 회전자에 전류가 흘러 회전이 일어납니다. ‘슬립이라 불리는 시간차 발생하므로 효율이 다소 낮은 편이지요.

 



전기차의 AC 모터와 DC 모터의 차이에 대해 한단히 알아보자9www.ece.umn.edu




 이를 극복하기 위해 모터를 아얘 전자석 형태로 만들어 고정자가 회전자를 끌고가는 방식을 개발했는데요. 얘가 바로 동기 모터입니다


 간단합니다. 나침반에 자석을 대고 장난친 경험 다들 있으실 겁니다. 자석을 빙글빙글 돌리면 내부의 자침이 빙글빙글 돌지요. 원리는 같습니다모터 껍데기에 전자석 여러 개를 배치해서 순차적으로 극을 바꾸어 돌려주면 내부의 회전자가 돌게 됩니다. 




전기차의 AC 모터와 DC 모터의 차이에 대해 한단히 알아보자10출처 : www.ewh.ieee.org



 슬립이 없으므로 효율이 높고, 덕분에 크기에 비해 출력이 높은 편입니다. 최근 출시되는 전기차, 플러그인 하이브리드는 모두 AC 유도모터를 사용하고 있습니다.

 

 그리고 이 방식은 BLDC 모터의 원리와 정확하게 일치하지요. BLDC도 결국은 직류를 교류처럼바꾸어서 제어가 필요하거든요. 더 보고 싶으시면 지난 포스팅을 확인해주세요.

 






전기차의 AC 모터와 DC 모터의 차이에 대해 한단히 알아보자11www.autoevolution.com




요약하면 이렇습니다.

 



- DC 모터는 브러쉬 타입과 브러쉬리스 타입(BLDC)로 나뉩니다.

- AC 모터는 유도 방식과 동기 방식으로 나뉩니다.

 

- AC 모터가 더 광범위하게 사용되어 왔고 가격도 저렴합니다.

- AC 모터가 제어가 복잡하나 DC 브러쉬 타입에 비해 내구성이 좋습니다.

- AC 모터도 진화를 계속하여 동기 방식의 모터는 효율도 많이 좋습니다

- 현재 대다수의 전기차에 사용됩니다.

 

- DC 모터 역시 AC동기 모터와 유사한 BLDC이 개발되었습니다. 

- 일부 전기차에 사용이 시도되고 있습니다.




위저드아이언



Posted by 위저드아이언 wizard_IRON

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  1. Ethan

    안녕하세요. 되게 헷갈리는게 있습니다.
    전기차에 사용되는 AC 동기 모터 와 BLDC 모터의 구동방식의 차이점이 뭔가요?
    AC 동기모터와 BLDC 모터가 유사하다고 하는데, 같은말 아닌지요?

    2015.10.07 19:28 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 저도 헷갈려서 여러 번 찾아 보고 글을 썻습니다만, BLDC모터와 AC동기모터는 기본적으로 원리가 같은 건 맞습니다. 모두 인버터를 통해 주파수 변조로 속도를 조절하는 방식을 사용하고 있습니다....

      굳이 두 개를 분류하는 이유는 입력 전원이 AC 이냐 DC이냐 이기 때문입니다. 교류면 AC동기모터, 직류면 BLDC 모터이지요.

      원리가 같음에도 이때까지 전기차에서 AC 동기 모터를 사용한 이유는 모터의 단가가 저렴하고 기술적으로 성숙되어있어 신뢰성이 높았기 때문이고, 덕분에 불편하지만 DC -> AC 컨버터를 사용하는 수고를 해왔다고 하더군요.

      지금은 BLDC 모터의 신뢰도가 높은 수준에 다다랐기 때문에 컨버터가 필요없이 바로 직류를 사용하는 쪽으로 넘어가는 중입니다.

      참고로 BLDC는 영구자석이 캔에 붙어있는 타입이 많다고 하네요. 덕분에 통돌이 모터라고 불리기도 한답니다. -_-;;;;

      2015.10.08 08:26 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  2. June

    안녕하세요. 자동차 회사에서 일하고 싶은 학생 입니다. 좋은 내용 잘 읽었습니다.
    전공이 전자공학이어서 모터쪽에는 잘 모르는 부분이 많았는데 쉽게 설명해주셔서 감사합니다.

    2016.01.21 23:55 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. 비밀댓글입니다

    2017.04.13 20:05 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 서보모터는 '힘' 보다는 '정확도' 에 초점이 맞춰진 녀석으로 알고 있어요. 서보모터쪽도 조사해서 한 번 포스팅 하도록 하겠습니다 방문 감사드려요 ^^

      2017.04.16 21:03 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]
  4. 전업주부

    저처럼 까막눈도 이해하기 쉽게 설명해 주신 글 감사해요^^제가 온수매트가 있는데 보일러가 고장나서요
    AC모터가 나은가요? BLDC모터가 나은가요? 소음 잔고장없이 오래 쓸 수 있는제품을 원해서요^^

    2017.11.01 12:15 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
    • 전업주부님 방문 감사드려요! 글이 나간지 벌써 2년이 넘어가다 보니 기술의 발전이 생각보다 빨리 이루어졌습니다. BLDC 모터 가격이 많이 싸졌더라고요.

      AC 모터가 동기/비동기로 나뉘는데, 일반적인 가전에서는 가격이 저렴한 비동기 AC 모터가 사용되는 걸로 알고 있어요.

      이를 기준으로 봤을 때는 AC 비동기
      <BLDC 모터 <AC 동기 순으로 낫지 않을까 생각됩니다. 어차피 가정용 전원은 AC이니까요...

      2017.11.01 12:26 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL ]