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.
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.
반면 AC 모터는 브러쉬가 없어 유지보수가 용이하고, 철심에 코일만 감아 사용하면 되기 때문에 원리가 단순한 편입니다. (비동기-유도 전동기)
어래? 교류는 위상차 때문에 컨트롤이 복잡한 걸로 알고 있는데요?
네, 맞습니다. 그런데 AC 모터의 구조, 아니 그전에 교류전원이 만들어 지는 방식을 한번 떠올려 보세요.
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.
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.
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)
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. ‘슬립’이라 불리는 시간차 발생하므로 효율이 다소 낮은 편이지요.
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 같습니다. 모터 껍데기에 전자석 여러 개를 배치해서 순차적으로 극을 바꾸어 돌려주면 내부의 회전자가 돌게 됩니다.
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 교류’처럼’ 바꾸어서 제어가 필요하거든요. 더 보고 싶으시면 지난 포스팅을 확인해주세요.
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.
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