친환경 자동차 > 06. 인버터와 동기 전동기(하이브리. 전기. 수소 자동차 구동 모터)
● 네오디뮴(Neodymium : 네오듐) 영구 자석식 동기 모터
전기 자동차용으로서 각광을 받는 영구 자석식 동기 모터는 네오듐이라고 불리는 희토류를 사용한 영구 자석이 만들어지게 되었기 때문이다. 네오듐은 17개의 희토류 원소중 하나이다. 희토류 원소 물질은, 금이나 은 등의 귀금속에 비하면 매장량은 많지만, 광석 중에 함유되어 존재하며 그것을 분리하고, 정제하는 것이 어렵다는 점에서 희소한 원소라고 한다. 그래서 희토류라고 불리는 것이다. 희토류 원소는 중국에서 많이 생산되기 때문에 세계의 97%가 중국산으로 쏠려 있으며, 매장량은 세계 3할이라고 알려져 있다. 희토류 원소 중의 네오듐을 사용한 영구 자석이 네오듐 자석이다. 네오듐과 철과 붕소의 화합물로 1982년에 일본의 스미토모 특수금속·사가와 마사토에 의해 발명되었다. 네오듐 자석은 일반적인 영구 자석인 페라이트 자석의 약 10배나 강한 자력을 갖는다고 알려져 있다.·자력이 강하여 소형화 고성능이 가능하기 때문에 전기 자동차나 하이브리드 카의 영구 자석식 동기 모터 이외에도 생활에 친근한 하드디스크 드라이브, 콤팩트디스크 플레이어, 휴대전화 등에 사용된다.· 네오디뮴 자석의 단점은 녹이 잘 슬어 표면을 니켈로 도금하여 사용하며, 온도계수가 낮아 열에 따라 자성이 쉽게 약해지는 것이 단점이다. 2000년대 들어 디스프로슘을 미량 첨가하여 온도계수를 200℃까지 높인 네오디뮴 자석이 개발 되었다.
● 3상 동기 전동기
전기자동차에 사용되는 모터는 DC직류를 인버터에서 3성 교류를 차례대로 스위칭하여 스테이터 코일에 보내 주면 스테이터 코일 철심이 NS로 바뀌면서 영구자석(로터)을 돌린다
3상 전동기는 3상 교류처럼 위상차가 있는 3가닥의 전원선을 사용하는 전동기로 영구자석을 이용하여 동기 전동기로 만든다면 BLDC와 크게 다를 것이 없다. 처음에는 산업용 3상 전기를 이용하기 위해 만든 것이, 점차 속도와 방향 제어의 필요성이 느껴지면서 인버터와 연결되어 사용되면서 BLDC와 별 큰 차이점이 없어졌다.
인버터에서 출력되는 W.V.U상의 전원(+ = S극)(- = N극)
● 동기 전동기 특징
유도전동기나 전자석 동기전동기보다 고효율이다.
정류자·브러시·계자여자 회로 슬립 링이 없어 보수가 용이하다.계자의 손실에 의한 온도 상승이 없기 때문에, 계자 온도 상승에 대한 보호가 불필요하다.회전속도가 전원주파수에 의해 결정된다. 상용교류의 주파수는 장기적으로 안정되어 있기 때문에, 전파시계가 보급되기 이전에는 상용교류식의 전기시계가 널리 사용되고 있었다.속도를 변화시키기 위해서는 전용 가변전압 가변주파수 제어(VVVF) 인버터가 필요하다.그래서 기동 및 정지시에 독특한 음이 발생한다.정현파 벡터 제어를 하기 위해, 회전자의 위상각을 검출하기 위한 홀 소자 등을 사용한 센서가 사용되는 등, 최근에는 직류 버스의 과전류 보호용 분류기 전압으로부터 교류전류를 재현하여, 회전자 위치를 마이크로 컴퓨터로 계산하는 센서리스 방식이 주류가 되어 가고 있다.구형파에 의한 제어는, 역기전력을 검출하여 위상각을 검출하는 방법이 일반적이다.
◈ IGBT : 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar transistor ; IGBT)는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터 (MOSFET)을 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터이다. 게이트-이미터간의 전압이 구동되어 입력 신호에 의해서 온/오프가 생기는 자기소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자이다.
◈ 프리 휠 다이오드 : 고전압에 대하여 내성을 갖는 다이오드로 IGBT가 OFF된 후에 역기전력의 전류를 회로내에 환류가 잘 이루어지도록 유도하여 IGBT가 파손되는 것을 방지한다
● 모터 온도 센서(Motor temperature sensor)
모터의 성능에 큰 영향을 주는 요소는 온도이며, 모터가 과열되면 영구자석 및 스테이터 코일 등의 변형 및 성능의 저하가 일어난다. 이를 방지하기 위하여 모터 내부에 온도 센서를 설치하고 모터의 온도에 따른 제어를 한다. 주로 NTC(Negative Temperature Coefficient Thermistor) 온도 센서를 사용하며, 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 동(Cu)등의 금속 산화물을 연소해서 결정체로 만든 반도체이다. 통상 서미스터라 함은 NTC 서미스터를 말한다.
● 모터 리졸버 센서(Motor Resolver Sensor)
▶ 리졸버의 필요성구동모터를 가장 큰 회전력으로 제어하기 위해 회전자와 고정자의 위치를 정확하게 검출하여야 한다. 즉 회전자의 위치 및 회전속도 정보로 모터 제어기구가 가장 회전력으로 모터를 제어하기 위하여 리졸버를 설치한다.
▶ 리졸버의 작동원리
▶ 고정자(스테이터)여자 권선에 고주파 여자 신호 인가(ex. 10kHz): 외부 구동 회로 필요
▶ 회전자(로우터)가 회전하면 릴럭턴스변화에 따라 1차와 2차 측 상호 쇄교자속이 주기적으로 변화 됨
▶ 스테이터 2상의 검출 권선의 출력전압 진폭이 회전각에 비례하여 변화 됨(Sin/Cos형태)
▶ 출력 신호를 RDC(Resolver to Digital Converter)를 거쳐 위치각으로 변환시킴
▶ 릴럭턴스(reluctance) : 자기 회로 안에서 자기력선속의 변화에 대한 저항력. 자기 회로의 길이에 비례하고 단면적, 투자율(透磁率)에 반비례한다.▶ 쇄교 자속 : 코일에 흐르는 전류에 의해서 생긴 자속(자기력선)이 코일이 형성하는 단면적을 통과하는 것 즉, 코일과 교차(서로 엇갈리거나 마주치는) 하는 것을 말한다. 쇄교(鎖交)는 쇠사슬처럼 교차하다란 뜻으로 전기장과 자기장이 마치 쇠사슬의 고리가 연결된 모양처럼 서로 90도로 교차하면서 전파되는 모양을 표현한 용어다.
