전기자동차의 영구자석 동기모터의 장점 분석

I. 소개

전 세계적으로 에너지 보존 및 배기가스 배출 감소를 배경으로 자동차 산업은 VFD(가변 주파수 드라이브)가 전기 자동차 및 산업용 드라이브의 주류 구성이 되면서 더 높은 효율성과 전력 밀도를 향한 업그레이드를 가속화하고 있습니다.

수많은 모터 유형 중에서영구 자석 동기 전동기(PMSM)은 뛰어난 성능으로 기존 유도 전동기(IM)의 핵심 경쟁자로 떠올랐습니다. 따라서 중요한 질문이 제기됩니다. AC 동기식 영구 자석 전기 모터를 포함한 PMSM이 IM을 완전히 파괴하고 대체하여 지배적인 드라이브 솔루션이 될 수 있습니까?

이 기사에서는 두 모터의 최적 적용 경계를 명확히 하는 것을 목표로 장점과 단점을 비교하고, 대체 가능성을 분석하고, VFD 시나리오의 적응 차이를 검토함으로써 이 논쟁을 탐구할 것입니다.

II. 영구자석 동기모터의 기본이해

영구 자석 동기 전기 모터는 영구 자석을 사용하여 회전자 자기장을 생성하는 일종의 AC 모터로, 슬립 손실 없이 회전자와 고정자 회전 자기장 사이의 동기 작동을 가능하게 합니다. AC 동기식 영구 자석 전기 모터는 핵심 원리 및 응용 시나리오에서 PMSM과 본질적으로 일치하며 특정 산업 분야의 용어 표현은 약간만 다르다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

PMSM은 분류상 영구자석의 위치에 따라 크게 표면실장형(SPMSM)과 내부실장형(IPMSM)으로 구분된다. 재질에 따라 희토류 영구자석(네오디뮴-철-붕소, 사마륨-코발트)과 비희토류 영구자석으로 분류됩니다. 이 중 실내 장착형 희토류 PMSM은 출력 밀도와 속도 조절 성능이 뛰어나 전기자동차에 널리 사용되고 있다.

III. PMSM과 주류 모터의 장단점 비교

3.1 영구자석 동기모터(PMSM)

장점: PMSM은 전부하 효율 94%~97%로 놀라운 효율을 자랑하며, 회전자 동손 및 슬립 손실이 없어 부분부하 및 저속 조건에서도 높은 효율을 유지합니다. 또한 높은 출력 및 토크 밀도가 특징입니다. 단순화된 로터 구조와 작은 관성으로 인해 동일한 출력에서 ​​더 작은 크기와 더 가벼운 무게가 가능해 전기 자동차의 경량 요구 사항에 완벽하게 부합합니다. 또한, 탁월한 저속 대용량 토크 성능, 높은 역률 및 VFD 하에서 안정적인 작동을 나타내며 주파수 변환 중에 완만하게 효율이 저하됩니다.

단점: PMSM의 가장 큰 병목 현상은 비용 및 리소스 위험에 있습니다. 희토류 영구자석은 비용의 큰 부분을 차지하며 희토류 공급망에 크게 의존하여 가격 변동성이 매우 높습니다. 기술적으로 로터 위치 감지 또는 추정이 필요하므로 특히 센서리스 시동 및 저속 제어의 경우 제어 시스템이 더욱 복잡해집니다. 또한, 고온 및 무거운 하중은 영구 자석 감자를 유발할 수 있으므로 엄격한 열 관리가 필요하며 유지 관리 및 재활용에도 기술적, 경제적 어려움이 있습니다.

3.2 유도전동기(IM)

장점: IM은 성숙한 구조와 간단한 제조 공정을 갖추고 있어 초기 투자 비용이 낮고 재료 공급원이 넓습니다. 온라인에서 직접 시동이 가능해 먼지, 고온 등의 가혹한 환경과 충격 부하에도 강력한 견고성을 입증합니다. 농형 로터 구조로 유지 관리가 쉽고, 예비 부품을 쉽게 구할 수 있으며, 희토류 재료에 의존하지 않아 안정적인 공급망을 보장합니다.

단점: IM은 전체 부하 효율이 90%~93%에 불과하여 효율이 낮고, 부분 부하 또는 저속 VFD 조건에서는 효율이 크게 떨어집니다. 또한 전력 밀도가 부족하여 동일한 전력에서 PMSM보다 크고 무거우며, 속도 조절 정확도가 슬립으로 제한되어 고정밀 속도 제어 시나리오에서 PMSM보다 열등합니다.

3.3 스위치형 릴럭턴스 모터(SRM)와의 간략한 비교

SRM은 영구자석 감자의 위험 없이 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 그러나 소음과 토크 리플이 크고 PMSM에 비해 효율과 제어 성능이 떨어진다. 실제 응용 분야에서 SRM은 저비용의 거친 시나리오에 적합한 반면 PMSM은 전기 자동차와 같은 고성능 분야를 장악하여 상호 보완적인 관계를 형성합니다.

IV. IM을 대체하는 PMSM의 타당성 분석

추진 요인: 전 세계적으로 강화되는 에너지 절약 정책(예: IE3/IE4 효율성 표준)으로 인해 자동차 산업은 더 높은 효율성의 솔루션을 채택하게 되었습니다. VFD의 대중화는 PMSM의 성능 이점을 더욱 증폭시키고, 전기 자동차의 높은 전력 밀도와 경량화에 대한 수요 증가는 PMSM을 위한 광범위한 애플리케이션 플랫폼을 제공합니다. 또한 전체 수명주기 비용을 고려하면 PMSM의 에너지 절약 이점은 에너지 소비가 많은 시나리오에서 초기 투자 프리미엄을 상쇄할 수 있습니다.

제한적인 병목 현상: 희토류 가격의 변동으로 인해 PMSM의 비용이 IM보다 높게 유지됩니다. 성숙한 유지 관리 시스템을 갖춘 시장의 IM 재고는 교체 주기를 연장시킵니다. PMSM은 또한 열악한 작업 조건에 대한 적응성이 낮고 제어 및 열 관리의 기술적 한계가 높아 일부 분야에서의 대중화를 제한합니다.

대체 추세: 향후 5~10년 동안 IM을 PMSM으로 대체하는 일은 주로 증분 시장에 초점을 맞출 것입니다. PMSM은 전기 자동차, 고정밀 공작 기계 및 주파수 변환 펌프와 같은 고효율 시나리오를 지배할 것이며 IM은 비용에 민감하고 작업 조건이 까다로운 분야에 남아 있을 것입니다. 시나리오별 적응을 바탕으로 장기적 공존의 패턴이 형성될 것이다.

V. 가변 주파수 드라이브(VFD) 시나리오의 적응 차이

제어 및 구동: 영구 자석 동기 전기 모터에는 회전자 위치 감지 또는 추정 기술에 의존하는 벡터 제어 또는 자속 기준 제어(FOC)가 필요하므로 제어 복잡성과 비용이 증가합니다. 이와 대조적으로 IM은 정밀한 동기 위치가 필요 없이 보다 간단한 벡터 제어 또는 직접 토크 제어(DTC)를 채택할 수 있으므로 저비용 시나리오에 더 적합합니다.

열 관리 및 신뢰성: PMSM은 전력 밀도와 열 밀도가 높으며 냉각 시스템 설계가 중요합니다. 냉각이 충분하지 않으면 영구 자석 감자가 발생할 수 있습니다. IM은 열 분포가 더 온화하고 구조적 마진이 더 크며, 냉각 시스템에 대한 요구 사항이 상대적으로 느슨하고 열악한 조건에서도 견고성이 뛰어납니다.

시작 및 유지 관리: IM은 성숙한 유지 관리 경험과 저렴한 수리 비용으로 온라인에서 직접 시작할 수 있습니다. 그만큼교류 동기 영구 자석 전동기주파수 변환 시동 시 우수한 성능을 발휘하여 큰 토크를 제공하지만 빈번한 시동 및 정지 중에 자기소거 및 열 축적에 대한 보호가 필요하고 유지 관리 비용이 더 높으며 기술 요구 사항이 높습니다.

6. 엔지니어링 선정 제안 및 대책

선택 원칙: 모터 선택의 핵심은 PMSM이 보편적으로 우수하다는 "일률적인" 개념을 거부하고 전체 수명주기 비용(초기 투자 + 에너지 소비 + 유지 관리 + 가동 중지 시간 손실)과 작업 조건을 기반으로 한 종합적인 평가에 있습니다.

시나리오 적응: PMSM은 전기 자동차 및 대규모 에너지 절약 변환과 같은 고전력, 고주파 변환 및 경량 시나리오에 선호됩니다. IM은 비용에 민감하고 열악한 작업 조건과 기존 펌프, 팬, 컨베이어 벨트와 같은 정속 구동 시나리오에 더 적합합니다.
위험 대응: 공급망 위험에 대처하기 위해 비희토류 영구 자석 및 영구 자석 재활용의 기술적 혁신에 세심한 주의를 기울이십시오. "파일럿 프로모션" 전략을 채택합니다. 먼저 에너지 소비가 많고 가치가 높은 부하를 PMSM으로 교체하고 운영 데이터 및 유지 관리 피드백을 수집한 다음 적용 범위를 확장합니다.

Ⅶ. PMSM의 향후 발전 동향과 과제

개발 동향: PMSM의 미래는 희토류에 대한 의존도를 줄이기 위해 비희토류 영구자석 재료 연구에 중점을 둘 것입니다. 저비용 센서리스 제어 기술, 일체형 경량 설계, 효율적인 영구자석 재활용 기술도 핵심 연구 방향으로, 경제성과 친환경성을 더욱 향상시킬 것입니다.
핵심 과제: 희토류 공급망의 안정성과 지속 가능성은 여전히 ​​주요 제약 사항입니다. 영구자석과 고정밀 제어 시스템의 비용을 절감하고 극한 작업 조건에서 PMSM의 신뢰성을 최적화하는 것도 시급히 해결해야 할 과제입니다.

Ⅷ. 결론

교류 동기 영구자석 전동기를 포함한 영구자석 동기 전동기는 효율, 출력 밀도, 속도 조절 성능 등에서 상당한 장점을 갖고 있어 전기차 등 고성능 분야에서 대체할 수 없는 핵심 부품이다. IM의 점진적인 시장 점유율을 계속해서 압박할 것이지만, 비용, 공급망 및 작업 조건 적응 제약으로 인해 완전한 글로벌 교체는 비현실적입니다.

앞으로 자동차 시장은 '시나리오별 최적 적응' 패턴을 형성하게 될 것이다. PMSM은 신축 및 에너지 절약 전환 프로젝트에서 점점 더 중요한 위치를 차지할 것이며, IM은 특정 분야에서 오랫동안 공존할 것입니다. 엔지니어와 기업의 경우, 실제 요구에 기반한 합리적인 선택과 영구 자석 재료 및 제어 시스템의 기술적 혁신을 파악하는 것이 모터 산업 업그레이드의 기회를 포착하는 열쇠가 될 것입니다.