PMSM 모터: 효율적인 전기 자동차 주행을 위한 이상적인 선택

I. 소개

전 세계적으로 탄소 중립이 강조되고, 전기 자동차(EV) 산업이 급속히 발전함에 따라 고효율, 고성능 구동 모터에 대한 수요가 점점 더 엄격해지고 있습니다. EV 주행 거리, 전력 성능 및 신뢰성을 결정하는 핵심 구성 요소인 PMSM 모터는 점차 신에너지 차량의 주류 구성이 되어 많은 고급 및 대중 시장 모델에서 기존 모터를 대체하고 있습니다.

1970년대 이후 희토류 영구자석 소재의 개발은 영구자석에 의해 생성된 안정적인 자기장에 의존하는 영구자석 모터의 업그레이드를 주도해 왔습니다.EV용 pmsm 모터기존 전기 여자 모터의 성능 병목 현상을 극복하여 에너지 절약, 소형화 및 정밀 제어 측면에서 확실한 이점을 보여주었습니다. 본 기사에서는 PMSM 모터의 기술적 특성, 핵심 장점, 실용 가치를 심층적으로 분석하고 EV 분야에서의 개발 전망에 대해 논의합니다.

II. PMSM 모터 소개 및 전기 자동차에서의 역할

PMSM 모터는 영구 자석을 사용하여 회전자 자기장을 형성하는 AC 모터로, 슬립 링, 브러시 또는 회전자 여자 권선 없이 회전자와 고정자 회전 자기장 사이의 동기 작동을 실현합니다. 기존 모터와 달리 자기장은 높은 보자력, 잔류 자성 및 자기 에너지 생성물과 같은 우수한 자기 특성을 갖는 희토류 영구 자석 재료(예: 네오디뮴-철-붕소 Nd2Fe14B)에 의해 제공됩니다.

전기차에서는pmsm 모터for ev는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 핵심 작업을 수행하여 차량의 동적 반응, 에너지 소비 및 운전 경험에 직접적인 영향을 미칩니다.

벡터 제어, 직접 토크 제어 및 전력 전자 장치 기술의 성숙으로 PMSM 모터는 어려운 시동 및 복잡한 제어의 역사적 문제를 해결했으며 승용차, 상업용 차량 및 신 에너지 특수 차량에 널리 사용됩니다. 빠른 가속을 추구하는 고성능 EV부터 장거리 주행에 초점을 맞춘 패밀리카까지, PMSM 모터는 다양한 제품 포지셔닝 요구 사항을 충족하도록 맞춤화 및 조정할 수 있습니다.

개발 역사의 관점에서 볼 때, 세계 최초의 모터는 영구자석 모터였으나, 영구자석 소재의 성능이 뒤떨어져 한때 전기 여자 모터로 대체되기도 했습니다. PMSM 모터가 활력을 되찾고 고출력, 고효율, 소형화 방향으로 나아가게 된 것은 1970년대 NdFeB 희토류 소재가 등장한 이후부터다. 오늘날 국내외 주요 기업들은 대용량 PMSM 기술에서 획기적인 발전을 이루며 EV 산업에서 PMSM 대중화를 위한 견고한 기반을 마련했습니다.

III. PMSM 모터의 작동 원리 및 기술적 특징

3.1 영구자석과 전자기장의 상호작용 원리

PMSM 모터의 핵심 작동 원리는 영구 자석과 교류 사이의 전자기 유도 및 상호 여기 효과를 기반으로 합니다. 로터에는 자화 후 일정한 자기장을 생성하는 희토류 영구 자석이 장착되어 있습니다. 고정자 권선은 3상 교류에 연결되어 속도와 진폭을 조정할 수 있는 회전 자기장을 형성합니다.

전자기력의 작용으로 로터는 고정자의 회전 자기장과 "잠겨" 동기식으로 작동합니다. 회전 속도는 동기 속도와 동일하며(슬립 손실 없음), 이는 근본적으로 에너지 변환 효율을 향상시킵니다.

3.2 효율적인 에너지 전환 과정

기존 전기 여자 모터와 비교하여 EV용 pmsm 모터는 회전자 권선의 여자 손실과 브러시 및 슬립 링의 기계적 손실을 제거하고 고정자 전류는 토크 전류만 제공하면 되므로 구리 손실과 철 손실이 크게 줄어듭니다. 에너지 변환 과정에서 영구 자석의 자기장은 안정적이고 신뢰할 수 있으며 에너지 손실은 낮은 수준으로 제어됩니다. 부분 부하 또는 저속 작업 조건에서도 높은 효율을 유지할 수 있으며 이는 전기 자동차의 주행 거리 확장에 중요합니다.

3.3 정밀한 속도 및 토크 제어

PMSM 모터의 정밀한 제어는 고급 제어 알고리즘과 고성능 전력 전자 장치에 의존합니다. 벡터 제어(FOC)는 원리에 따라 AC 모터 속도 조절 문제를 해결하여 넓은 범위에서 부드러운 속도 조절과 빠른 토크 응답을 실현합니다. 직접 토크 제어(DTC)는 매개변수 변경에 대한 강력한 견고성과 빠른 동적 응답으로 제어 구조를 단순화합니다.

이는 전기차의 경우 시동과 가속 시 모터가 순간적으로 큰 토크를 출력하고, 고속 순항 시 안정적인 작동을 유지하는 동시에 주행 조건에 따라 속도와 토크를 정밀하게 매칭해 에너지 소비를 최적화할 수 있다는 의미다.

또한 고성능 프로세서와 전력전자소자를 적용해 PMSM 모터의 제어 정밀도와 응답속도를 더욱 향상시켰다. 일반 주파수 변환기는 상용 주파수 전력을 가변 주파수 전력으로 변환하여 동기 모터의 시동 문제를 해결하고 EV용 pmsm 모터 적용에 대한 안정적인 기술 보증을 제공합니다.

IV. 전기 자동차의 효율적인 주행을 위한 PMSM 모터의 장점

4.1 고효율로 범위 향상

PMSM 모터의 전부하 효율은 94%-97%에 도달할 수 있으며 이는 기존 비동기 모터보다 3-5% 더 높습니다. 더 중요한 것은 전기 자동차의 일상 주행 시나리오의 대부분을 차지하는 부분 부하 조건에서 높은 효율을 유지할 수 있다는 것입니다.

배터리 용량이 제한된 EV의 경우, 모터 효율이 높을수록 주행 가능 거리는 더욱 길어집니다. 동일한 배터리 구성에서 EV용 pmsm 모터가 장착된 차량은 주행 거리를 10~15% 늘려 사용자의 주행 거리 불안을 효과적으로 완화할 수 있습니다.

4.2 높은 토크 밀도로 출력 성능 강화

PMSM 모터는 회전자 여자권선을 제거하고 고성능 희토류 영구자석을 채용하여 구조가 콤팩트하고 크기가 작으며 무게가 가벼운 특성을 가지고 있습니다. 동일한 부피와 무게에서 토크 밀도는 비동기 모터보다 20%-30% 더 높아 더 강력한 출력을 제공할 수 있습니다.

전기차의 경우 모터를 보다 유연하게 배치함과 동시에 저속에서 큰 토크를 출력할 수 있어 빠른 가속력과 강력한 오르막 성능을 구현해 운전의 ​​즐거움을 높일 수 있다는 의미다.

4.3 넓은 속도 조절 범위로 다양한 요구 사항 충족

벡터 제어 기술과 약한 자기 속도 확장 기술의 지원으로 EV용 pmsm 모터는 넓은 속도 조절 범위를 가지며, 저속, 큰 토크 및 고속, 정전력을 원활하게 전환할 수 있습니다. 이를 통해 전기 자동차는 복잡한 주행 조건에 적응할 수 있습니다. 출발 및 상승 시 안정적으로 큰 토크를 출력할 수 있고, 고속 주행 시 높은 효율성과 안정성을 유지할 수 있습니다. 특히 내장형 PMSM 모터의 경우 약한 자기 속도 확장 능력이 뛰어나 고속 작동 범위를 더욱 확장하고 전기 자동차의 다양한 속도 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

4.4 높은 신뢰성으로 주행 안전 보장

PMSM 모터는 브러시리스 구조를 채택하여 브러시 및 슬립 링의 마모 및 고장 위험을 제거하고 서비스 수명이 15년 이상에 달할 수 있습니다(전기 자동차의 서비스 수명과 일치). 동시에 구조가 단순화되어 고장률이 기존 모터보다 현저히 낮습니다.

설계 과정에서는 폴 아크 계수, 슬롯 폭을 최적화하고 기울어진 슬롯 등을 채택하여 코깅 토크를 줄이고 모터 작동 중 진동과 소음을 최소화하며 주행 편의성과 안전성을 향상시킵니다. 또한, 성숙한 열 관리 기술은 고온으로 인한 영구 자석 감자기를 효과적으로 방지하여 극한의 작업 조건에서도 안정적인 작동을 보장합니다.

V. 전기자동차에 PMSM 모터를 적용한 실제 적용 사례

전 세계적으로 EV용 pmsm 모터는 주류 자동차 제조업체가 선호하는 구동 모터가 되었습니다. 예를 들어, Tesla Model 3/Y는 내부 영구 자석 동기 모터를 채택하여 고효율과 고성능 사이의 균형을 실현합니다. 최적의 작업 조건에서 모터 효율은 97%에 달하고, 0-100km/h 가속 시간은 3.3초에 불과합니다. 국내 자동차 제조사 BYD가 한(Han), 탕(Tang) 등 모델에 널리 쓰이는 블레이드 모터를 독자 개발했다.

네오디뮴-철-붕소 영구자석 소재를 사용해 자기회로 설계를 최적화해 토크 밀도가 40N·m/kg 이상, 최대 효율이 98.5%에 달한다.

상용차 분야에서는 SAIC Maxus의 전기 경량 버스와 Foton의 전기 트럭에도 맞춤형 PMSM 모터가 장착되어 있어 빈번한 시동 정지 및 고부하 작업 조건에 적응할 수 있으며 100km당 에너지 소비량은 비동기식 모터가 장착된 차량보다 15%~20% 낮습니다.

국제적으로도 BMW iX3와 메르세데스-벤츠 EQC는 PMSM 모터를 핵심 구동 부품으로 사용해 높은 신뢰성과 효율성을 바탕으로 제품의 시장 경쟁력을 강화하고 있다.

산업 지원 측면에서 Siemens 및 ABB와 같은 선도적인 모터 기업도 EV 기술용 pmsm 모터에서 중요한 혁신을 이루었습니다. 지멘스는 1986년 초 선박 추진에 사용되는 1095kW 6상 PMSM 모터를 개발했는데, 이는 기존 DC 모터에 비해 부피가 거의 60% 감소했습니다. ABB의 선박 추진용 PMSM 모터는 최대 설치 용량이 38MW로, 고출력 시나리오에서 PMSM 모터를 적용하기 위한 기술적 기반을 마련합니다.

중국에서는 CRRC Zhuzhou가 3MW 고속 영구자석 풍력발전기를 개발했으며, 그 기술이 EV 분야에 이전되어 국내 PMSM 모터의 업그레이드가 촉진되었습니다.

6. PMSM 모터와 다른 구동 모터의 비교

6.1 비동기 유도 전동기와 비교

비동기유도전동기(IM)는 가격이 저렴하고, 구조가 간단하며, 견고하다는 장점을 갖고 있어 초기 전기자동차에 널리 사용됐다. 그러나 PMSM 모터와 비교할 때 단점은 명백합니다. 전체 부하 효율은 90%-93%에 불과하고 부분 부하에서는 효율이 크게 떨어집니다. 토크 밀도가 낮아서 부피와 무게가 더 커집니다. 속도 조절 정밀도는 미끄러짐으로 인해 제한되며 동적 응답이 느립니다.

주행 거리와 성능을 추구하는 전기 자동차의 경우 EV용 pmsm 모터가 더욱 이상적인 선택이 된 반면, 비동기식 모터는 소수의 저가 모델이나 고출력 특수 차량에만 유지됩니다.

6.2 스위치드 릴럭턴스 모터와의 비교

SRM(Switched Reluctance Motor)은 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 감자 위험이 없다는 장점이 있습니다. 그러나 큰 토크 리플, 높은 소음, 낮은 효율성 등의 명백한 단점이 있어 승용차에 적용하는 데 제한이 있습니다. PMSM 모터는 더 나은 부드러움, 더 낮은 소음, 더 높은 효율성을 제공하므로 전기 자동차의 편안함 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있습니다.

또한 PMSM 모터의 제어 정밀도와 동적 응답은 SRM보다 훨씬 우수하므로 높은 주행 성능이 요구되는 시나리오에 더 적합합니다. 따라서 SRM은 소수의 저가형 전기차와 특수장비에만 사용되는 반면 PMSM 모터는 주류 EV 시장을 장악하고 있다.

Ⅶ. PMSM 모터의 개발 동향과 과제

7.1 개발 동향

PMSM 모터의 향후 개발은 저비용과 고성능이라는 두 가지 방향에 중점을 둘 것입니다. 저비용 측면에서 비희토류 영구자석 소재와 재활용 영구자석 소재의 연구 및 적용을 통해 네오디뮴-철-붕소에 대한 의존도를 줄이고 설계 및 제조 공정의 최적화를 통해 생산 비용을 더욱 절감할 수 있습니다.

고성능 측면에서, EV용 pmsm 모터는 고속, 큰 토크 및 지능을 향해 발전할 것입니다. 실리콘 카바이드(SiC) 전력 장치와 고급 제어 알고리즘(예: 슬라이딩 모드 제어, 적응형 제어)을 채택하여 효율성과 응답 속도가 더욱 향상되고, 차량 탑재 지능형 시스템과의 통합이 실현되어 운전 습관에 따른 적응형 조정이 실현됩니다.

또한, 시뮬레이션 기술과 설계 기술의 결합이 핵심 개발 방향이 될 것입니다. 유한요소해석 소프트웨어는 자기장 분포, 코깅 토크 등 모터 매개변수를 정확하게 계산할 수 있으며, 자기장-회로 결합 방식은 계산 효율성과 정밀도의 균형을 맞춰 PMSM 모터의 개발 주기를 단축할 수 있습니다. 동시에 영구자석 브러시리스 DC 모터(BLDCM)는 PMSM 기술과 더욱 통합될 것이며 고급 제어 전략을 도입하여 가전제품과 소형 전기 자동차에 적용 범위를 확대할 것입니다.

7.2 핵심 과제

명백한 장점에도 불구하고 PMSM 모터는 EV 분야에서 여전히 많은 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 희토류 영구자석 재료의 가격은 변동성이 크고 공급망은 정책 및 환경 요인의 영향을 받아 제조업체에 비용 위험을 초래합니다. 둘째, 극한 조건에서 영구 자석 감자 문제가 완전히 해결되지 않았으므로 열 관리 및 자기 회로 설계의 추가 최적화가 필요합니다. 셋째, 제어시스템이 복잡하고, 센서리스 제어 및 저속 스타트업 기술의 연구개발 문턱이 높아 중소기업의 대중화를 제한하고 있다.

또한, 영구자석 소재의 재활용 및 재사용 기술이 아직 성숙하지 않아 EV용 PMSM 모터의 수명이 다한 폐기에 대한 환경적 압력이 가중되고 있습니다. 성능, 비용, 환경 보호 및 신뢰성의 균형은 PMSM 모터의 지속 가능한 개발을 위한 핵심 문제가 되었습니다.

Ⅷ. 결론 및 전망

고효율, 높은 토크 밀도, 넓은 속도 조절 범위 및 높은 신뢰성이라는 장점을 갖춘 PMSM 모터는 전기 자동차의 효율적인 구동을 위한 이상적인 선택이 되었으며, 희토류 재료 기술 및 제어 기술의 업그레이드로 EV 구동 모터 시장에서 주류 위치를 더욱 점유할 것입니다. 전기 자동차 제조업체의 경우 EV용 PMSM 모터 설계 최적화, 비용 절감 및 신뢰성 향상이 시장을 장악하기 위한 핵심 경쟁력이 될 것입니다. 소비자에게 PMSM 모터가 장착된 차량은 더 나은 운전 경험을 제공하고 사용 비용을 낮출 수 있습니다.

앞으로는 비희토류 영구자석 소재, 지능형 제어 기술, 재활용 기술의 획기적인 발전으로 PMSM 모터의 기술적 병목 현상이 점차 해결될 것이며, 승용차 및 상용차에서 신에너지 선박, 항공우주 및 기타 고급 분야로 응용 분야가 더욱 확대될 것입니다. 신에너지 자동차의 핵심 부품인 PMSM 모터는 계속해서 글로벌 자동차 산업의 변화와 업그레이드를 촉진하여 탄소 중립 목표 실현에 기여할 것입니다.