1970년대 희토류 영구자석 소재의 개발로 희토류 영구자석 모터가 탄생했습니다. 영구자석 모터는 희토류 영구자석을 여자(excitation)에 사용하며, 영구자석은 자화 후 영구자계를 생성할 수 있습니다. 뛰어난 여자 성능을 자랑하며, 안정성, 품질, 손실 감소 측면에서 전기 여자 모터보다 월등하여 기존 모터 시장을 뒤흔들었습니다.

최근 현대 과학기술의 급속한 발전으로 전자기 재료, 특히 희토류 전자기 재료의 성능과 기술이 점차 향상되고 있습니다. 전력전자, 전력 전송 기술, 자동 제어 기술의 급속한 발전과 더불어 영구자석 동기 전동기의 성능 또한 점점 더 향상되고 있습니다.

또한, 영구자석 동기 전동기는 가볍고 구조가 간단하며, 크기가 작고, 특성이 우수하며, 전력 밀도가 높다는 장점이 있습니다. 많은 과학 연구 기관과 기업에서 영구자석 동기 전동기의 연구 개발을 활발히 진행하고 있으며, 그 응용 분야는 더욱 확대될 것입니다.

1. 영구자석 동기전동기의 개발 기반

가. 고성능 희토류 영구자석 소재의 응용

희토류 영구자석 소재는 SmCo5, Sm2Co17, Nd2Fe14B의 세 단계를 거쳤습니다. 현재 NdFeB로 대표되는 영구자석 소재는 우수한 자기적 특성으로 인해 희토류 영구자석 소재 중 가장 널리 사용되고 있습니다. 영구자석 소재의 발전은 영구자석 모터의 개발을 촉진해 왔습니다.

기존의 전기 여자 방식의 3상 유도 전동기와 비교했을 때, 영구 자석이 전기 여자 극을 대체하여 구조를 단순화하고, 회전자의 슬립링과 브러시를 제거하여 브러시리스 구조를 실현하고 회전자 크기를 줄일 수 있습니다. 이를 통해 전동기의 출력 밀도, 토크 밀도 및 작동 효율이 향상되고, 전동기의 소형화 및 경량화가 가능해져 전동기의 응용 분야가 더욱 확대되고 고출력 전동기 개발이 촉진됩니다.

b. 새로운 제어 이론의 적용

최근 몇 년 동안 제어 알고리즘이 빠르게 발전했습니다. 그중 벡터 제어 알고리즘은 AC 모터의 구동 전략 문제를 원리적으로 해결하여 AC 모터의 제어 성능을 향상시켰습니다. 직접 토크 제어의 등장으로 제어 구조가 간소화되고, 파라미터 변경에 대한 회로 성능이 우수하며 토크 동적 응답 속도가 빠른 특징이 있습니다. 간접 토크 제어 기술은 저속에서 직접 토크의 큰 토크 맥동 문제를 해결하여 모터의 속도 및 제어 정확도를 향상시킵니다.

c. 고성능 전력 전자 소자 및 프로세서의 응용

현대 전력 전자 기술은 정보 산업과 전통 산업을 연결하는 중요한 인터페이스이자, 약전류와 제어된 강전류를 연결하는 다리 역할을 합니다. 전력 전자 기술의 발전은 구동 제어 전략의 실현을 가능하게 합니다.

1970년대에는 산업용 주파수 전력을 연속적으로 조정 가능한 가변 주파수 전력으로 변환할 수 있는 범용 인버터 시리즈가 등장하여 AC 전력의 가변 주파수 속도 조절을 위한 기반을 마련했습니다. 이러한 인버터는 주파수 설정 후 소프트 스타트 기능을 갖추고 있으며, 주파수가 0에서 설정 주파수까지 일정 속도로 상승할 수 있고, 상승 속도는 넓은 범위 내에서 연속적으로 조정 가능하여 동기 전동기의 기동 문제를 해결했습니다.

2. 국내외 영구자석 동기전동기 개발 현황

역사상 최초의 모터는 영구자석 모터였습니다. 당시 영구자석 소재의 성능은 상대적으로 낮았고, 영구자석의 보자력과 잔류 자속 밀도도 너무 낮아, 곧 전기 여자 모터로 대체되었습니다.

1970년대, NdFeB로 대표되는 희토류 영구자석 소재는 높은 보자력, 잔류 자속, 강력한 감자 능력, 그리고 큰 자기 에너지 곱을 가지고 있어 고출력 영구자석 동기 모터가 역사의 무대에 등장하게 되었습니다. 현재 영구자석 동기 모터 연구는 점점 더 성숙해지고 있으며, 고속, 고토크, 고출력, 고효율을 향해 발전하고 있습니다.

최근 국내 학계와 정부의 적극적인 투자로 영구자석 동기 모터가 급속도로 발전했습니다. 마이크로컴퓨터 기술과 자동 제어 기술의 발전으로 영구자석 동기 모터는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 사회 발전으로 인해 영구자석 동기 모터에 대한 사람들의 요구가 더욱 엄격해지면서, 영구자석 모터는 더 넓은 속도 조절 범위와 더 높은 정밀 제어를 지향하는 방향으로 발전하고 있습니다. 현재 생산 공정의 개선으로 고성능 영구자석 소재가 더욱 발전하여 비용을 크게 절감하고 다양한 생활 분야에 점차 적용되고 있습니다.

3. 현재 기술

가. 영구자석 동기전동기 설계기술

일반적인 전기 여자 모터와 비교했을 때, 영구자석 동기 모터는 전기 여자 권선, 수집 링 및 여자 캐비닛이 없어 안정성과 신뢰성이 크게 향상될 뿐만 아니라 효율도 향상됩니다.

그 중 내장형 영구자석 모터는 효율이 높고, 역률이 높으며, 단위 전력 밀도가 높고, 약한 자기 속도 확장 능력이 강하고, 동적 응답 속도가 빠르다는 장점이 있어 모터를 구동하는 데 이상적인 선택입니다.

영구 자석은 영구 자석 모터의 전체 여자 자기장을 제공하며, 코깅 토크는 모터 작동 중 진동과 소음을 증가시킵니다. 과도한 코깅 토크는 모터 속도 제어 시스템의 저속 성능과 위치 제어 시스템의 고정밀 위치 결정에 영향을 미칩니다. 따라서 모터 설계 시에는 모터 최적화를 통해 코깅 토크를 최대한 줄여야 합니다.

연구에 따르면, 코깅 토크를 줄이는 일반적인 방법으로는 극 아크 계수 변경, 고정자 슬롯 폭 감소, 스큐 슬롯과 극 슬롯의 일치, 자극의 위치, 크기 및 모양 변경 등이 있습니다. 그러나 코깅 토크를 줄이면 전자기 토크가 감소하는 등 모터의 다른 성능에도 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 설계 시 최적의 모터 성능을 달성하기 위해 다양한 요소들의 균형을 최대한 맞춰야 합니다.

b. 영구자석 동기전동기 시뮬레이션 기술

영구 자석 모터에는 영구 자석이 사용되므로 설계자가 무부하 누설 자속 계수 및 극 아크 계수 설계와 같은 매개변수를 계산하기 어렵습니다. 일반적으로 유한 요소 해석 소프트웨어를 사용하여 영구 자석 모터의 매개변수를 계산하고 최적화합니다. 유한 요소 해석 소프트웨어는 모터 매개변수를 매우 정확하게 계산할 수 있으며, 모터 매개변수가 성능에 미치는 영향을 분석하는 데 매우 신뢰할 수 있습니다.

유한요소 계산법은 모터의 전자기장을 더 쉽고, 빠르고, 정확하게 계산하고 분석할 수 있게 해줍니다. 이는 차분법을 기반으로 개발된 수치해석법으로, 과학 및 공학 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 수학적 방법을 사용하여 일부 연속적인 해 영역을 단위 그룹으로 이산화한 후, 각 단위에서 보간합니다. 이렇게 하면 선형 보간 함수가 형성됩니다. 즉, 유한요소를 사용하여 근사 함수를 시뮬레이션하고 분석할 수 있으며, 이를 통해 모터 내부의 자기장 방향과 자속 밀도 분포를 직관적으로 파악할 수 있습니다.

c. 영구자석 동기 모터 제어 기술

모터 구동 시스템의 성능 향상은 산업 제어 분야 발전에 매우 중요합니다. 시스템을 최상의 성능으로 구동할 수 있도록 합니다. 모터 구동 시스템의 기본 특성은 저속, 특히 급속 시동, 정가속 등의 경우 큰 토크를 출력할 수 있다는 점입니다. 고속 구동 시에는 넓은 범위에서 정출력 속도 제어가 가능합니다. 표 1은 여러 주요 모터의 성능을 비교합니다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 영구자석 모터는 우수한 신뢰성, 넓은 속도 범위, 그리고 높은 효율을 가지고 있습니다. 해당 제어 방식과 결합하면 전체 모터 시스템이 최상의 성능을 달성할 수 있습니다. 따라서 효율적인 속도 제어를 달성하기 위해서는 적절한 제어 알고리즘을 선택해야 하며, 이를 통해 모터 구동 시스템이 비교적 넓은 속도 제어 범위와 정출력 범위에서 작동할 수 있습니다.

벡터 제어 방식은 영구 자석 모터 속도 제어 알고리즘에 널리 사용됩니다. 넓은 속도 조절 범위, 높은 효율, 높은 신뢰성, 우수한 안정성, 그리고 우수한 경제적 이점 등의 장점을 가지고 있습니다. 모터 드라이브, 철도 운송, 공작기계 서보 등에 널리 사용됩니다. 다양한 용도 때문에 현재 사용되는 벡터 제어 전략 또한 서로 다릅니다.

4. 영구자석 동기전동기의 특성

영구자석 동기 전동기는 구조가 간단하고 손실이 적으며 역률이 높습니다. 전기 여자 전동기와 비교하여 브러시, 정류자 등의 소자가 없어 무효 여자 전류가 필요하지 않으므로 고정자 전류와 저항 손실이 적고 효율이 높으며 여자 토크가 크고 제어 성능이 우수합니다. 그러나 비용이 많이 들고 기동이 어려운 단점이 있습니다. 모터에 제어 기술을 적용하고, 특히 벡터 제어 시스템을 적용함으로써 영구자석 동기 전동기는 광범위한 속도 조절, 빠른 동적 응답, 고정밀 위치 제어를 달성할 수 있습니다. 따라서 영구자석 동기 전동기에 대한 연구가 더욱 활발해질 것으로 예상됩니다.

5. 안후이 밍텅 영구자석 동기전동기의 기술적 특성

a. 모터는 높은 역률과 전력망 품질 계수를 가지고 있습니다. 역률 보상기가 필요하지 않으며, 변전소 설비의 용량을 최대한 활용할 수 있습니다.

b. 영구 자석 모터는 영구 자석에 의해 여자되어 동기식으로 작동합니다. 속도 맥동이 없으며, 팬과 펌프 구동 시 파이프라인 저항이 증가하지 않습니다.

c. 영구자석 모터는 필요에 따라 높은 시동 토크(3배 이상)와 높은 과부하 용량으로 설계할 수 있어 "큰 말이 작은 수레를 끄는" 현상을 해결할 수 있습니다.

d. 일반 비동기 전동기의 무효 전류는 일반적으로 정격 전류의 약 0.5~0.7배입니다. Mingteng 영구자석 동기 전동기는 여자 전류가 필요하지 않습니다. 영구자석 전동기와 비동기 전동기의 무효 전류는 약 50% 차이가 나며, 실제 운전 전류는 비동기 전동기보다 약 15% 낮습니다.

e. 모터는 직접 시동하도록 설계할 수 있으며, 외부 설치 치수는 현재 널리 사용되는 비동기 모터와 동일하므로 비동기 모터를 완전히 대체할 수 있습니다.

f. 드라이버를 추가하면 부드러운 시동, 부드러운 정지, 무단 속도 조절이 가능하며, 동적 응답성이 좋고 전력 절감 효과가 더욱 향상됩니다.

g. 모터는 다양한 위상 구조를 가지고 있어 광범위한 범위와 극한 조건에서 기계 장비의 기본 요구 사항을 직접 충족합니다.

h. 시스템 효율을 높이고, 전달 체인을 단축하며, 유지 보수 비용을 절감하기 위해 고속 및 저속 직접 구동 영구 자석 동기 전동기는 사용자의 더 높은 요구 사항을 충족하도록 설계 및 제작될 수 있습니다.

안후이 밍텅 영구자석 기계 및 전기 설비 유한 회사 (https://www.mingtengmotor.com/)는 2007년에 설립되었습니다. 초고효율 영구자석 동기 전동기의 연구 개발, 생산 및 판매를 전문으로 하는 첨단 기술 기업입니다. 당사는 현대 모터 설계 이론, 전문 설계 소프트웨어, 그리고 자체 개발한 영구자석 모터 설계 프로그램을 활용하여 영구자석 모터의 전자기장, 유체장, 온도장, 응력장 등을 시뮬레이션하고, 자기 회로 구조를 최적화하며, 모터의 에너지 효율을 향상시켜 영구자석 모터의 안정적인 사용을 근본적으로 보장합니다.

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게시 시간: 2024년 9월 14일