모터의 종류 (2) - BLDC와 PMSM 비교

앞장에서 모터가 어떻게 구분되는지 알아보았고 BLDC와 PMSM에 대해 설명했다.

세밀하게 비교 분석을 하기 보다는 어떠한 이유에서 PMSM을 BLDC로 부르는지에 대해 설명하고자 한다.

 

나는 입사해서 일본 엔지니어로부터 처음부터 BLDC라고 가르침을 받았기 때문에 BLDC라고 부를 것이다!

"전기기기제어론" 책을 보면 영구자석 교류 전동기와 같이 PMSM으로 설명하고 있다.

하지만, 왜 일반적으로 BLDC라고 부르는 것일까?

 

BLDC와 PMSM을 비교하고 나서, PMSM의 표면부착형과 매립형의 차이에 대해 기술하고자 한다.

 

먼저, 표 1을 통해 어떤 차이가 있는지 살펴보자

 

<표 1. BLDC와 PMSM 비교>

 

표 1을 보자.

BLDC와 PMSM의 비교 표를 볼 수 있는데, 이 때 구조에 대한 비교는 착자 방향을 제외하곤 없는 것을 볼 수있다.

즉, 구조로는 영구자석의 착자 방향이 동일한 것을 제외하면 거의 동일하다.

착자 방향을 제외하면 제어 방식에서 큰 차이가 있다.

 

따라서, BLDC와 PMSM는 구조적으로 거의 동일하며, 제어 방식 및 착자 방향으로 인해 구분된다.

 

착자 방향의 다른점을 이해하기 위해 그림 1을 보자.

그림 1의 오른쪽에 있는 원호가 영구자석의 한 개 극을 나타내고, 화살표가 착자 방향을 의미한다.

즉, BLDC 모터는 원 호의 어느 방향에서 자석을 바라보더라도 자력의 크기가 동일한 반면,

PMSM은 원 호의 정 중앙에서 자력의 크기가 가장 크다.

따라서, BLDC 모터의 상전류는 구형파 형태이고 PMSM의 상전류는 사인파 형태이다.

(BLDC 모터의 상전류 파형이 0인 지점이 있는 이유는 제어 방식에 그 원인이 있다.)

 

<그림 1. BLDC와 PMSM의 역기전력 및 착자 방향>

 

따라서, BLDC와 PMSM을 왜 혼용해서 부르는 것인지에 대한 해답이 나왔다.

 

BLDC의 영구자석의 착자 방향을 평행 형태로 바꾸고, 벡터 제어 방식을 사용하면 PMSM과 동일하게 되는 것이다.

 

이렇기 때문에 BLDC와 PMSM을 동일하게 여기고 혼용해서 부르는 것이다.

그리고 BLDC라고 부르는 것이 입에 더 잘 감기기 때문인 것 같기도 하다.

여담이지만, P 발음은 숨을 내뱉어야 하고 M 발음은 입을 다물어야 하는 등 발음이 조금 귀찮기도 하다.

 

자, 이제 표면부착형 PMSM과 매립형 PMSM에 대해 알아보자.

 

<표 2. 표면부착형 PMSM과 매립형 PMSM 비교>

 

표 2에서 보다시피 두 모터의 차이점은 영구자석를 부착하냐 매립하냐에 있다.

그림에는 단순하게 표현했지만, 영구자석을 V자 또는 1자 형태로 매립하기 때문에

자석을 조금 더 넣을 수 있어서 자력이 커진다고 한다.

즉, IPMSM의 경우 계자 자속을 더 크게 할 수 있을 것이다.

 

또한, IPMSM은 리럭턴스 토크를 이용하여 더 큰 토크를 발생할 수 있다.

그림 2를 보자.

가로축의 전기각은 영구자석과 회전자계의 전기각[degree]을 의미하고, 세로축은 토크[Nm]를 의미한다.

회전자계에 대한 설명은 "서보제어" 카테고리에서 소개한다.

 

표면부착형 PMSM은 마그넷 토크만 있지만, 매립형 PMSM은 영구자석의 위치로 인해

d축과 q축의 리액턴스의 크기가 달라져서 리럭턴스 토크가 추가로 관여한다.

따라서, 매립형 PMSM은 두 개의 토크의 값이 더해진 토크를 사용한다.

 

따라서, 표면부착형 PMSM은 최대 토크를 얻을 수 있는 전기각이 90[deg]이지만,

매립형 PMSM은 90[deg]보다 큰 영역에서 존재한다.

그래서 매립형 PMSM을 사용할 때는 최대 토크를 발생하는 전기각을 반복 실험을 통해 찾는다고 한다.

이를 단위 전류당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)라고 부른다.

MTPA 제어방식도 있는데, 우리는 표면부착형을 쓰기에 기술하지 않는다.

(이 부분은 다음에 매립형 PMSM을 다룰 기회가 있다면 소개해보겠다.)

 

<그림 2. IPMSM의 토크 그래프>