영구자석 동기 전동기의 향후 발전 방향은 무엇입니까?

영구자석 동기 모터PMSM(PMSM)은 고효율, 우수한 전력 밀도 및 뛰어난 동적 성능으로 유명한 현대 전기 시스템의 핵심 전력 구성 요소로 발전했습니다. 글로벌 탄소 중립 목표, 엄격한 에너지 보존 정책, 자동차 및 제조부터 항공우주까지 주요 산업의 급속한 전력화에 힘입어 PMSM은 신에너지 차량(NEV), 산업 자동화 장비, 항공우주 추진 시스템, 가전제품 및 분산 발전 프로젝트에 널리 채택되었습니다.

재료 과학, 전력 전자 기술 및 제어 알고리즘이 계속 발전함에 따라 PMSM은 더 높은 성능, 지능, 녹색화 및 시스템 통합을 향한 근본적인 변화를 겪고 있습니다. 이 기사에서는 업계 연구원, 엔지니어 및 의사 결정자에게 체계적인 통찰력을 제공하는 것을 목표로 고급 설계 방법을 자세히 설명하는 동시에 PMSM의 개발 상황, 핵심 기술, 응용 시나리오, 기존 과제 및 미래 동향을 포괄적으로 살펴봅니다.

I. 소개

20세기 중반 전 세계적인 탄소 중립 목표와 가속화되는 산업 전기화 속에서 고효율, 신뢰성 있는 모터에 대한 수요가 급증했습니다.영구자석 동기 전동기고유한 기술적 이점을 통해 유도 모터, 스위치드 릴럭턴스 모터 및 기타 기존 모터보다 성능이 뛰어납니다.

회전자 권선 여기에 의존하는 유도 전동기와 달리 PMSM은 회전자 자기장에 고성능 영구 자석을 사용하여 회전자 구리 손실을 제거합니다. 이를 통해 에너지 효율은 5~10%, 전력 밀도는 20~30% 향상되어 NEV 견인, 고정밀 서보 장비, 항공우주 보조 동력 장치 및 분산 풍력/태양광 발전에 이상적입니다.

빠른 응답과 낮은 토크 리플 덕분에 산업용 로봇 및 기계 장비와 같은 정밀 시나리오에 없어서는 안 될 요소입니다.

그러나 대규모 PMSM 애플리케이션은 높은 희토류 자석 비용(총 비용의 30~40%), 열악한 열 안정성, 복잡한 제어 요구 사항, 고급 전력 전자 부품 및 시뮬레이션 도구에 대한 의존도 등 병목 현상에 직면해 있습니다.

자석 재료, 구조 설계, 시뮬레이션 및 제어 알고리즘의 지속적인 혁신은 필수적입니다. 이 기사에서는 실제 사례와 과제 분석을 통해 PMSM의 핵심 측면을 정리하고 연구 및 엔지니어링에 대한 참고 자료를 제공합니다.

II. PMSM 개발 및 연구현황

(I) 개발 재단

영구자석 동기전동기의 개발과 대중화는 영구자석 재료기술, 전력전자기술, 제어이론이라는 세 가지 핵심 분야의 혁신과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이 세 가지 기둥은 서로를 보완하여 실험실 연구에서 대규모 산업 생산에 이르기까지 PMSM 기술을 주도합니다.

영구 자석 재료의 경우, 20세기 초반 모터는 페라이트와 AlNiCo 자석에 의존했는데, 이는 낮은 자기 에너지 제품(페라이트의 경우 20~30kJ/m3, AlNiCo의 경우 40~60kJ/m3)으로 인해 전력 밀도가 낮고 부피가 크며 효율성이 제한되어 소형 팬과 같은 저전력 시나리오로 사용이 제한되었습니다. 1980년대 희토류 자석의 발명과 산업화는 이정표를 세웠습니다. 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 자석은 200~400kJ/m3(페라이트의 5~10배)의 자기 에너지 생성물을 자랑하며 근본적으로 PMSM의 소형화, 고효율 및 높은 전력 밀도를 가능하게 합니다.

사마륨-코발트(SmCo) 자석(150-250 kJ/m3)은 고온 환경에서 PMSM의 적용 범위를 더욱 확장했습니다. 한편, 성숙한 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT), 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 및 갈륨 질화물(GaN) 장치는 구동 효율성과 신뢰성을 향상시켰으며, 제어 알고리즘 반복(스칼라 제어에서 FOC/DTC, MPC까지)은 복잡한 조건에서 PMSM의 성능을 향상시켰습니다.

(II) 국내외 연구현황

국제적으로 선진국은 성숙한 PMSM 기술 시스템과 산업 체인을 형성했습니다. 일본은 자동차 및 가전제품 애플리케이션에 중점을 두고 있습니다. Toyota, Nissan 및 Mitsubishi Electric은 수십 년간의 NEV PMSM 경험을 보유하고 있습니다. Toyota의 Prius 하이브리드는 PMSM을 여러 세대에 대한 핵심 견인 모터로 채택하고(시스템 효율성은 90% 초과), Mitsubishi의 고정밀 서보 PMSM(토크 리플 <1%)은 산업용 로봇에 널리 사용됩니다.

독일은 고속, 고출력 PMSM 분야에서 탁월합니다. Siemens와 Bosch는 원심 압축기 및 항공우주 보조 동력 장치에 적용되는 20,000RPM 이상의 속도와 98% 이상의 효율을 갖춘 모델을 개발했습니다. 미국은 고급 분야를 목표로 하고 있습니다. GE의 멀티 메가와트 PMSM은 선박 추진 장치와 풍력 터빈에 전력을 공급하고, MIT와 스탠포드는 ​​AI 기반 제어 알고리즘과 새로운 자석을 탐구합니다.

국내에서는 NEV 산업 성장과 정책 지원에 힘입어 BYD, Huawei, Great Wall Motors가 핵심 기술(NdFeB 준비, 토폴로지 설계, 벡터 제어)을 습득하여 NEV 견인용 PMSM, 산업용 서보 및 가전제품을 양산하고 있습니다. BYD의 블레이드 모터(IPMSM의 일종)는 출력밀도가 3kW/kg 이상으로 NEV 라인업에 널리 사용되고 있다. 그러나 고급 희토류 재료, 독립적인 시뮬레이션 소프트웨어 및 고정밀 제어 칩에는 격차가 남아 있습니다.

(III) 산업 응용

PMSM은 주요 부문에서 널리 채택되어 전기화 및 에너지 보존의 핵심 동인이 되었습니다. NEV에서 PMSM은 견인력 및 보조 시스템을 지배합니다. 우수한 자속 약화 기능을 갖춘 IPMSM은 중급 및 고급형 NEV 견인력(시동, 상승 및 순항 요구 사항 충족)의 주류이며, SPMSM은 에너지 절약 및 소음 감소를 위해 에어컨 압축기 및 워터 펌프에 사용되어 차량 내구성을 연장합니다.

산업 자동화 분야에서 PMSM은 서보 시스템, 산업용 로봇, CNC 기계의 핵심입니다. 고정밀 서보 PMSM은 로봇 관절과 가공 도구의 안정적이고 정확한 움직임을 보장합니다. 항공우주에서는 SmCo 기반 PMSM(우수한 열 안정성)이 보조 동력 장치, 비행 제어 액츄에이터 및 위성 자세 제어 시스템에 사용되어 열악한 항공/우주 환경에 적응합니다.

가전제품 부문에서 PMSM은 에어컨, 세탁기, 냉장고 등의 유도전동기를 점진적으로 교체해 에너지 소비를 10~20% 줄이고 엄격한 에너지 효율 기준을 충족하고 있다. 에너지 부문에서는 영구 자석 직접 구동 풍력 터빈이 기어박스를 제거하고 유지 관리 비용을 절감하며 효율성을 향상시켜 풍력 산업의 추세가 되었습니다.

III. PMSM 핵심기술

(I) 디자인 기술

설계 기술은 회전자/고정자 토폴로지, 자석 레이아웃, 손실 제어, 구조적 신뢰성 및 냉각 시스템 설계를 포괄하는 영구 자석 동기 모터의 포괄적인 성능을 향상시키는 동시에 성능, 비용 및 제조 가능성의 균형을 맞추는 데 핵심입니다. 로터 토폴로지에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. SPMSM은 로터 표면에 자석을 부착하며 간단한 구조, 쉬운 제조 및 저렴한 비용을 특징으로 하며 저속, 저전력 시나리오에 적합합니다.

IPMSM은 로터 코어(최적화된 자기 회로를 위한 자속 장벽 포함)에 자석을 내장하여 더 높은 토크 밀도와 자속 약화 범위를 제공하여 NEV 트랙션 및 고성능 서보 시스템에 이상적입니다. 자석 레이아웃 최적화(Halbach 어레이, 분수 슬롯 집중 권선)는 에어 갭 자기 밀도를 향상시키고 토크 리플을 줄입니다. Halbach 어레이는 자속을 집중시켜 전력 밀도를 높이고, 분수 슬롯 권선은 끝 권선을 줄여 구리 손실을 낮춥니다.

손실 최적화는 철 손실, 구리 손실, 표유 손실을 목표로 합니다. 냉각 시스템(고출력/고속 모델의 경우 수냉식/오일 냉각식)은 열을 효율적으로 방출하여 자석의 감자기를 방지합니다.

(II) 시뮬레이션 기술

시뮬레이션 기술은 전면적인 성능 예측을 가능하게 하여 R&D 주기를 단축하고 비용을 절감하며 신뢰성을 향상시킵니다. 최신 PMSM 설계는 다중 물리 시뮬레이션 도구를 사용하여 전자기, 열, 기계 및 유체 역학 시뮬레이션을 통합합니다.

전자기 시뮬레이션은 자기 회로를 최적화하고, 토크 리플과 손실 분포를 계산하며, 자기 포화를 방지합니다. 열 시뮬레이션은 권선, 자석 및 하우징의 온도 분포를 예측하여 자석 온도를 120~150°C(NdFeB의 안전 한계) 미만으로 유지하도록 냉각 채널 설계를 안내합니다. 기계적 시뮬레이션(Ansys Mechanical)은 높은 원심력 하에서 로터 강도와 동적 균형을 검증하여 탄소 섬유 슬리브와 같은 구조를 최적화합니다.

디지털 트윈 기술을 통해 시뮬레이션은 실시간 매개변수 조정, 반복 최적화 및 예측 유지 관리를 위해 실제 프로토타입과 통합되어 예상치 못한 실패 위험을 줄입니다.

(III) 제어 기술

제어 기술은 PMSM의 동적 성능, 효율성 및 안정성을 직접 결정하며 기존 스칼라 제어에서 현대 지능형 전략으로 발전합니다. 주류 FOC 및 DTC는 다양한 애플리케이션 요구 사항을 충족합니다. FOC는 파크/클라크 변환을 통해 3상 전류를 d/q 좌표로 변환하고 낮은 리플, 높은 정밀도 및 원활한 속도 조절을 위해 여기 및 토크 전류를 독립적으로 제어합니다.

DTC는 빠른 응답과 간단한 알고리즘을 특징으로 하는 전압 벡터 선택을 통해 토크와 자속을 직접 제어합니다. 새로운 MPC 및 적응형 제어는 복잡한 조건에 적응합니다. MPC는 수학적 모델을 통해 모터 상태를 예측하여 실시간으로 제어 신호를 최적화하고 여러 제약 조건을 처리합니다. 적응형 제어는 온도 및 부하 변화에 따라 매개변수를 동적으로 조정합니다.

AI 통합 전략(신경망, 퍼지 제어, 강화 학습)은 기존 모델링 한계를 해결합니다. 신경망은 비선형 관계에 접근하고 퍼지 제어는 불확실성을 처리하며 강화 학습은 자체 최적화를 가능하게 합니다.

IV. PMSM의 특성 및 분류

(I) 핵심 특성

PMSM의 핵심 장점과 한계는 응용 범위를 정의합니다. 장점은 다음과 같습니다: 고효율(정격 효율 >95%, 고급 모델의 경우 최대 98%), 장기간 작동 시 유도 모터에 비해 5-10% 에너지 절약; 높은 전력 밀도(유도 모터보다 20~30% 더 높음)로 NEV 및 드론과 같이 공간이 제한된 시나리오에 대해 더 작고 가벼운 설계가 가능합니다.

추가적인 장점은 정밀 제어를 위한 탁월한 동적 성능과 저토크 고속 및 고토크 저속 조건에 적응하는 넓은 속도 범위입니다.

한계는 계속됩니다: 높은 비용, 열악한 열 안정성(NdFeB는 150°C 이상에서 자기소거), 복잡한 제어(고급 구성요소 및 전문 알고리즘 필요), 외부 자기장에 대한 취약성(자기소거 위험).

(II) 분류

PMSM 분류는 여러 기준을 기반으로 하며 각각은 특정 애플리케이션 시나리오에 맞춰 조정됩니다. 로터 구조별: SPMSM(저비용, 저전력 가전제품), IPMSM(NEV, 서보 시스템), AFPMSM(전기 자동차 및 풍력 터빈용 고출력 밀도). 전력 수준별: 마이크로 PMSM(<1kW, 소형 기기 및 드론용), 중전력 PMSM(1~100kW, 산업 자동화 및 NEV 보조 장치용), 고출력 PMSM(>100kW, 선박 추진 및 대형 풍력 터빈용).

자석 재질: NdFeB, SmCo 및 희토류가 없습니다. 응용 분야별: 자동차, 산업, 항공 우주, 가정 및 에너지.

각 분류 범주는 고유한 작업 조건에 최적화되어 다양한 산업 시나리오에서 PMSM 적응성을 보장합니다.

V. 기존 과제와 돌파구

(I) 주요 과제

급속한 발전에도 불구하고 PMSM은 네 가지 주요 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 희토류 자원 의존성: NdFeB는 네오디뮴, 프라세오디뮴, 디스프로슘에 의존하며 제한된 매장량과 가격 변동성은 공급망 안정성과 비용 통제를 위협합니다. 둘째, 고온 감자 위험: NdFeB의 퀴리 온도와 낮은 감자 온도는 고전력/고온 환경에서의 사용을 제한하는 반면, SmCo의 높은 비용은 대규모 적용을 제한합니다.

셋째, 독자적인 핵심 기술 부족: 국내에서 고급 소재, SiC MOSFET, 시뮬레이션 소프트웨어를 수입하는 데 의존하여 핵심 경쟁력이 약화됩니다. 이러한 의존성은 산업 체인의 자율성과 확장성을 방해합니다.

넷째, 열악한 환경 신뢰성: 높은 온도, 습도 및 진동으로 인해 자석, 권선 및 베어링 고장이 발생하고 항공우주 및 심해 장비와 같은 수요가 높은 시나리오의 경우 유지 관리 비용이 여전히 높습니다.

(II) 획기적인 경로

목표가 있는 획기적인 경로는 이러한 과제를 해결합니다. 재료 혁신은 자원 의존도를 줄이기 위해 저/비희토류 자석(페라이트 기반 복합재, Fe-Ni-Al 자석, 고엔트로피 합금)에 중점을 두고 있으며, 자석 변형(디스프로슘/테르븀 추가) 및 코팅(산화알루미늄, 질화티타늄)은 열 안정성을 향상시킵니다.

기술 업그레이드에는 감자 위험을 줄이기 위한 고급 냉각, 예측 유지 관리를 위한 디지털 트윈 통합, 외국 독점을 깨기 위한 시뮬레이션 도구 및 제어 칩의 독립적인 R&D가 포함됩니다. 이러한 업그레이드는 성능 및 자율성 병목 현상을 직접적으로 해결합니다.

산업 체인 최적화는 완전한 생태계를 구축하고, 습식 야금/건식 야금을 통해 희토류 재활용을 촉진하며, 산학연 협력을 강화하여 기술 상용화를 가속화합니다.

6. 미래 개발 동향

기술, 시장 수요 및 정책에 따라 PMSM은 6가지 주요 방향으로 발전할 것입니다.

고성능 통합: 모터, 인버터, 감속기, 컨트롤러 및 센서를 통합하면 5kW/kg 전력 밀도 및 >96% 전체 사이클 효율을 목표로 하는 토폴로지 최적화(AFPMSM) 및 재료 업그레이드를 통해 부피/무게가 15~20% 감소하고 효율성이 5~8% 향상됩니다.

친환경 저비용: 비희토류 물질 산업화와 희토류 재활용으로 비용이 절감되고, 친환경 제조가 탄소 배출을 줄입니다.

고온 적응성: 최적화된 냉각 및 자석 기술로 200°C+ 작동이 가능해 항공우주 및 고온 산업에서 사용이 확대됩니다.

인텔리전스/네트워킹: IoT+AI+다차원 센서를 통해 실시간 모니터링, 예측 유지 관리, 동적 제어 최적화가 가능해 운영 신뢰성이 향상됩니다.

고속 경량: 탄소 섬유 로터 및 세라믹 베어링은 AFPMSM을 사용하여 항공/의료 응용 분야의 부피를 줄여 >30,000RPM을 달성합니다.

맞춤화: 분야별 최적화를 통해 시장 경쟁력과 시나리오 적응성을 강화합니다.

Ⅶ. PMSM의 설계 방법

PMSM 설계는 이론적 분석, 시뮬레이션 최적화, 실험적 검증, 산업화 고려 사항이 통합된 체계적인 프로젝트입니다. 전통적인 경험적 방법은 비효율적이고 부정확하며 고성능 요구 사항에 적합하지 않습니다.

현대적인 디자인은 매개변수화된 CAD/CAE 도구를 채택하여 조정 가능한 모델을 구축하고 설계 주기를 단축합니다. 다목적 최적화는 효율성, 토크 밀도, 비용, 소음 및 제조 가능성의 균형을 유지하여 자석 크기를 최적화하여 비용을 절감하고, 슬롯 폴 매칭을 통해 소음을 줄이고, 권선을 통해 생산 효율성을 향상시킵니다.

통합 모터 제어 설계는 토폴로지와 알고리즘을 조정하여 시스템 성능을 극대화합니다. 실험적 검증은 애플리케이션 요구 사항 준수를 보장하는 반복적인 "설계-시뮬레이션-실험" 주기를 통해 설계를 검증합니다. 구조적 단순화와 성숙한 프로세스를 통해 제조 가능성과 비용 제어가 우선시됩니다.

결론

PMSM은 글로벌 전기화 및 탄소 중립 목표에서 중추적인 역할을 합니다. 영구 자석 재료, 구조 설계, 시뮬레이션 및 제어 기술의 지속적인 혁신을 통해 PMSM은 더욱 효율적이고 안정적이며 비용 효율적이 되어 NEV, 항공우주, 산업 자동화 및 에너지 부문으로 범위를 확대할 것입니다.

희토류 의존성 및 열적 불안정성과 같은 과제가 지속되는 동안 재료 혁신, 기술 업그레이드 및 산업 체인 최적화를 통한 명확한 획기적인 경로가 나타나고 있습니다. 미래의 PMSM은 통합, 녹색화, 인텔리전스 및 맞춤화를 향해 진화하면서 에너지 전환과 산업 업그레이드를 주도할 것입니다.

업계 전문가들은 핵심 병목 현상에 초점을 맞추고 학제 간 협력을 강화하며 기술 상용화를 가속화함으로써 PMSM의 잠재력을 최대한 발휘하여 지속 가능한 전기 사회 발전에 기여할 것입니다.