전동기는 1830~1880년대를 거쳐 각종 전동기 원형이 확립되고 1900년대에는 지금도 폭넓게 사용되는 직류전동기(DC Motor), 동기전동기(SM : Synchronous Motors), 유도전동기(IM : Induction Motors)가 실용화됐다. 또 1930년대 알니코(Alnico) 자석 등의 발명에 의해 영구자석 전동기(PM Motors)가 개발되고, 그 후 페라이트(Ferrite) 자석이 등장함으로써 여러 가지 분야에 실용화가 진행됐다. 한편 1990년대에 들어서부터 릴럭턴스 토크를 주(主)로 하거나 보조적으로 이용하는 릴럭턴스 토크 응용 전동기가 주목을 받고 있다. 지구온난화 방지에 대한 의식이 높아짐에 따라 가장 효율이 좋은 전동기로 가전 분야 및 자동차 분야를 중심으로 실용화가 급속하게 진행되고 있다. 여기에서는 백년 이상의 역사를 가진 전동기 가운데 최근 들어 실용화되기 시작한 릴럭턴스 토크 응용 전동기에 대해 다른 전동기와의 특징 비교 및 실용화 사례, 개발 동향 등을 설명한다.
▶ 각종 전동기 특징 비교
릴럭턴스 토크 응용 전동기에는 스위치 릴럭턴스 모터(SRM : Switched Reluctance Motors), 싱크 로너스 릴럭턴스 모터(SynRM : Synchronous Reluctance Motors) 및 매입 자석 구조의 PM 모터(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motors)가 있는데, 인덕턴스 위치에 의한 자기 에너지의 변화 때문에 발생하는 릴럭턴스 토크와 영구자석의 자속 및 전기자 전류와의 곱으로 발생하는 자석 토크의 배분 비율로 인해 <그림 1>과 같이 분류된다.
오른편에 있는 SRM과 SynRM은 모두 릴럭턴스 토크로 회전하는 모터며, 반대로 왼편에 있는 것은 자석 토크로 회전하는 표면 자석 구조의 PM 모터(SPMSM : Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)다. 중간 영역에 있는 IPMSM은 자석 토크와 릴럭턴스 토크는 하이브리드된 전동기(PM/Reluctance Hybrid Motor)로, SPMSM과 SynRM의 특징 모두를 가지고 있기 때문에 최근 더욱 주목 받고 있다.
<표 1>는 각종 전동기의 특징 비교를, <그림 2>는 민생용 에어컨 압축기 구동 전동기의 효율 특성 비교를 나타낸 것이다. 릴럭턴스 토크 응용 전동기는 이전에는 IM 및 SPMSM에 비해 효율·역률이 낮아 저급한 전동기로 여겨졌지만, 자계/구조해석·벡터 제어·전자(電磁) 재료 기술 등의 진보에 의해 그림에서와 같이 많은 특징을 가진 전동기로 인식되게 됐다. IPMSM은 영구자석을 회전자에 매입 인덕턴스를 크게 하여 구동 전류를 적절하게 벡터 제어하는 것으로, 릴럭턴스 토크를 병용하면서 적은 전류로 약(弱)자속 제어가 가능하고 많은 특징을 발휘할 수 있게 됐다. 또 SRM은 자계/구조 연성 해석 기술의 진보에 의해 소음·진동 과제를 줄일 수 있게 되어 본래 가진 다양한 특징을 발휘할 수 있었다. 릴럭턴 스 토크 응용 전동기의 특징을 다음과 같이 정리해 보았다.
● IPMSM 특징 ① 저속~고속까지 넓은 범위에서 고효율 ② 약자속 제어에 의해 넓은 범위에서 정출력 ③ 저속 대(大)토크 ④ 요구 효율에 대해 소형 경량, 저코스트
● SRM 특징 ① 플랫 효율 특성(저속 효율이 비교적 좋다) ② 소형 경량한 데다 저코스트 ③ 회전자 구조가 심플하고 고속 회전 용이 ④ 관성이 적고 고속 응답 가능
▶ 실용화 사례와 개발 동향
오래된 역사를 지닌 SRM은 영국 Davidson이 원형이 된 전동기를 조립하여 1842년에 전차를 움직였다. 또 IPMSM은 1930년에 기본적인 형상이 만들어졌다. 그 후 각종 시험 제작 및 상품화가 시도되고 1990년대 후반에는 다른 전동기를 상회하는 특성을 실현할 수 있게 되어 단숨에 실용화가 진행됐다. 릴럭턴스 토크 응용 전동기의 실용화 사례를 보면, 전동기에 대한 사회 요구 변화가 큰 역할을 해왔음을 알 수 있다. 원래는 생산성 및 편리성을 높이기 위해 성력화·고정밀도에 대응하는 전동기의 고성능화가 가장 중요한 과제였다. 이에 대해 최근에는 환경 문제에 대한 전 세계적인 요구가 높아짐에 따라 일본 내에서도 전(全) 전력의 50%를 차지하는 모터 에너지 절약에 대한 요구가 높아지고 있다. 글로벌화로의 급속한 진전 및 쾌적성·편리성을 요구하는 생활 패턴에서 생산성 및 편리성을 희생으로 한 에너지 절감은 생각하지 않고, 양자의 높은 레벨에서의 양립이 요구됐다. <그림 3>에 1990년대 후반~2000년까지 릴럭턴스 토크 응용 전동기가 주목 받기 시작했을 무렵의 특징적 실용화 사례를 나타냈다. 민생용 에어컨으로 1996년에 양산 개시된 IPMSM에 릴럭턴스 토크와 약자속 제어가 본격적으로 활용됐다. 이상품에서의IPMSM 특징은다음과같다. ① 넓은 범위에서 고효율 → 연간 전기비 삭감 ② 넓은 범위에서 정출력 → 고난방 능력 이는 전동기 선정에 있어서 중요한 포인트였다. 쾌적성·편리성 측면에서 에어컨 사용 시간과 그 수는 계속 늘어나고 있어 바야흐로 가정 내 사용전력의 25%를 차지하기에 이르렀다. 그 때문에 넓은 범위에서 고효율·정출력이 가능한 IPMSM 특성은 쾌적성도 고수하면서 에너지 절감성을 높일 수 있어 현재 일본 내 거의 모든 에너지 절감 에어컨에 채용됐다.
한편 전동기의 형식과 전자 재료의 고성능화 동향을 관련지어 보면, 요소 기술의 진보가 IPMSM 성능을 크게 개선하여 실용화를 추진해 가는 것을 알 수 있다. <그림 4>에 전자강판의 고성능화 동향을 나타냈다. SPM부터 IPM 구조가 된 초기 단계에서는 저손실화가 우선시되어, 자속밀도는 거의 고수하지 못했다. 그러나 최근 IPMSM에서는 자속밀도를 높여 고효율화하는 방법으로, 저손실과 고(高)자속밀도를 양립하는 자속강판이 주류가 되고 있다. 그 결과 민생 분야에서는 IPMSM이 에너지 절감성이 가장 뛰어난 전동기로 자리를 잡게 됐다. 한편 운수 분야에서도 1997년 양산되기 시작한 HEV에 IPMSM을 채용했다. 자동차의 주행 구동 모터 형식은 DCM → IM → SPMSM → IPMSM으로 변화해 왔다. 차량 성능 향상은 모터의 고효율화와 소형 경량화의 양립이 필수적이기 때문에 IPMSM의 모든 특징 즉, 넓은 범위에서 고효율, 넓은 범위에서 정출력, 저속 대토크, 요구 효율에 대해 소형 경량이 활용되고 있다. 그 때문에 향후 점점 자동차 분야에의 적용이 진행될 것으로 생각된다. SRM 실용화 사례로 유압 펌프에의 적용이 있다. IM과 가변 용량 펌프로 구성된 기존 전동기는 마찰저항이 크고 본래 에너지를 요구하지 않은 보압(保壓) 상태에서 많은 전력을 쓸데없이 소비하고 있다. 한편 SRM과 고정 용량 펌프를 이용한 가변속기에서는 보압 시 회전수를 극저속까지 내릴 수 있어 에너지 절감 50%를 달성한다. 여기에서는 SRM의 플랫 효율 특성, 고속 응답 가능한 특성이 생산성을 유지한 채 에너지 절감성을 높이는 기술로 활용됐다.
▶ 보다 나은 발전을 목표로
릴럭턴스 토크 응용 전동기 중 IPMSM은 설계 자유도가 높고 자석 토크와 릴럭턴스 토크의 비율 및 약자속 제어 범위에 의해 여러 가지 운전 특성을 실현할 수 있다. 일본‘PM 모터의 제어법과 회전자 구조에 의한 특성 비교’의 연구에 PM 모터의 약점으로 생각되는 약자속 제어에 대한 해결책이 있다. 영구자석에 의한 자기자 쇄교(鎖交)자속 Ψa, d축 인덕턴스 Ld, 전류 제한치 Iam의 관계가 Ψa - Ld·Iam ≦ 0일때는 이론상 최고 회전수의 한계가 존재하지 않는다. 상당히 흥미 깊은 결과로 향후 실기에의 적용이 기대된다. <그림 5>는 최신 에어컨에 사용되는 IPMSM 회전자 구조를 나타낸 것이다. 에너지 절감·고(高)난방 능력의 양립을 목표로한 이 분야의 전동기에는 저소음·저코스트화 등 새로운 만족도를 높이는 방향에서의 개발이 진행되고 있다. 그러나 저소음화가 요구됨에 따라 q축 방향 공극길이 확대 및 슬릿 배치 등 회전자 형상에 대한 연구가 우선시되어 공극비는 저하되는 경향에 있다. IPMSM 성능 형상을 리드해 온 이 분야에서 소형·대토크·고효율·저소음이 모두 높은 레벨에서 달성할 수 있는 새로운 전자 구조 · 재료 · 제어의 개발이 희망되어 자기포화 시 특성 개선이 향후 개발 과제가 되고 있다.
한편 SRM에 대해서는 고효율화에 관한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 1990년에는 77.8%였던 모터 효율이 2002년에는 94.3%까지 향상되어 PMSM에 가까운 고효율 특성의 가능성을 나타내고 있다. 이것은 모터의 전자 구조 및 저손실 전자강판, 구동 방식의 연구로 인해 기대됐던 성과로, 향후 더욱 성능 향상에 의해 여러 가지 분야에서의 실용화 사례 증가가 기대된다.
▶ 마무리
실용화가 진행돼 온 릴럭턴스 토크 응용 전동기적용 동향을 보면, 모터 단체의 성능 향상과 함께 사회 요구의 변화에 기인한 시스템 요구와 전동기가 가진 복수의 특징과의 정합이 중요해졌다. 이것을 실현하려면 관련 요소 기술의 진화를 예측한 후에 IPMSM 설계 자유도의 높이를 활용하는 것이 향후 점점 더 중요해질 것으로 보인다.
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