동기 릴럭턴스 모터

동기 릴럭턴스 모터

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

지난 번 포스팅에서 유도 모터와 동기 모터에 대해서 알아보았고, 그 내용에 이어 관심을 가지고 있는 동기 릴럭턴스 모터에 대해서 포스팅하도록 하겠습니다.

유도 모터와 동기 모터에 대한 정보는 링크를 참고하시기 바랍니다.

모터의 구분 : 유도 모터와 동기 모터

 

 

동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor, SynRM)의 원리는 자기 저항(릴럭턴스)의 차이에 의해 생성되는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 기반으로 동작합니다. 이 원리를 이해하기 위해, 먼저 몇 가지 기본 개념과 구조적 요소를 살펴보겠습니다.

 

1. 자기 저항(릴럭턴스)의 개념

릴럭턴스(Reluctance)는 자기 회로에서 자기장의 경로에 저항하는 특성을 의미합니다. 자기 저항은 자속이 통과하기 쉬운 재료(예. 철)와 통과하기 어려운 재료(예. 공기)의 차이에 의해 발생합니다.

자기 저항은 다음과 같은 식으로 표현됩니다.

 

\(R_m = \frac{l}{\mu A} \)

\(R_m \) : 자기 저항

\(l \) : 자기 경로의 길이

\(mu \) : 재료의 투자율(Permeability)

\(A \) : 자속 경로의 단면적

 

 

2. 동기 릴럭턴스 모터의 구조와 설계

1) 스테이터(Stator, 고정자) : 일반적으로 3상 교류 전류를 공급받아 회전 자기장을 생성합니다. 또한 권선은 전기적 설계에서 표준화된 구조를 따릅니다.

 

2) 로터(Rotor, 회전자) : 로터는 자석이나 전기적 권선 없이, 철심과 공급으로 구성됩니다. 내부에는 비대칭적으로 배열된 공급이 있어, 자속이 통과하기 쉬운 경로(d축)와 어려운 경로(q축)으로 이루어집니다.

 

** d축(Direct Axis) : 자속이 쉽게 흐르는 축으로, 회전자의 저자기 저항(Low Reluctance) 방향입니다. 

** q축(Quadrature Axis) : 자속이 흐르기 어려운 축으로, 회전자의 고자기 저항(High Reluctance) 방향입니다. 

모터 제어에 사용되는 기본이 되는 개념으로 d축은 자속을 발생시키고, q축은 토크(회전력)을 발생시키는 축입니다. Quadrature라는 단어에서 알 수 있드시 d축과 q축은 전기각으로 90만큼 차이가 있습니다.

 

동기 릴럭턴스 모터의 벡터도

 

3. 동기 릴럭컨스 모터의 작동 원리

1) 회전 자기장의 생성

스테어터에 3상 교류 전류를 공급하면서 회전 자기장이 형성됩니다. 이 회전 자기장은 동기 속도로 회전합니다. 

 

2) 로터의 정렬

로터는 자기 저항이 가장 낮은 경로, 앞서 말씀드린 d축으로 회전 자기장을 정렬시키려는 특성을 가집니다. 자속이 이 경로를 따라 이동하고 이 과정에서 로터에서 토크가 발생하여 회전하게 됩니다.

 

3) 릴럭턴스 토크

럴럭턴스 토크는 로터가 자기 저항의 차이에 따라 회전하려는 힘을 나타냅니다.

 

\(T_r = \frac{1}{2} (L_d - L_q) I^2 \sin(2\theta) \)

\(T_r \)​ : 릴럭턴스 토크

\(L_d \) : d축 인덕턴스

\(L_q \) : q축 인덕턴스

\(I \) : 전류

\(θ \): 회전자 위치 각도

 

4) 동기 속도에서 작동

로터는 스테이터의 회전 자기장과 동일한 속도로 회전하며, 이를 동기속도라고 합니다. 유도 모터와 달리 슬립(Slip)이 없습니다.

 

로터 형상에 대한 다양한 연구(출처. 대한전기학회 학계학술대회 논문집, 2019년)

 

4. 동기 릴럭턴스 모터의 장단점

구분	장점	단점
효율	- 유도 모터 대비 고효율로 에너지 절감 가능	- 낮은 부하나 저속 조건에서 효율 저하
	- 전류 및 히스테리시스 손실이 적음
구조	- 단순한 로터 설계(자석 및 권선 없음)	- 고급 제어 알고리즘 필요
	- 자석의 온도 민감도가 없음(자석 감자 없음)	- 초기 설계 및 최적화가 복잡함
비용	- 영구 자석 사용 불필요로 제조 비용 절감 가능	- 벡터 제어를 위한 인버터 및 드라이버 비용 추가
운영 성능	- 동기 속도로 작동, 슬립(slip)이 없음	- 저속에서 토크 생성 능력이 상대적으로 낮음
	- 고속 운전 가능
신뢰성	- 견고하고 내구성 높음	- 드라이버 회로에 대한 신뢰성이 중요
	- 로터에 마모성 부품 없음
환경적 측면	- 희토류 자원 의존도를 낮춤	- 고품질의 전력 전자 장치 필요
	- 자원 채굴로 인한 환경 문제 감소

 

 

5. 결론

동기 릴럭턴스 모터는 영구 자석을 사용하지 않는다는 최대 장점이 있으나 제어 복잡성과 저속에서의 성능 이슈로 인하여 유도 모터를 대체하기에는 한계가 존재합니다. 하지만 최근들어 고급 제어 기술이 등장하고 부분적으로 영구 자석을 사용(예. PMA-SynRM 등)하여 성능을 개선하고 있습니다.

또한 로터 형상 설계에 크게 의존하기 때문에 최적 설계에 대한 연구도 활발하게 연구되고 있습니다.

 

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