PMSM이란? 영구자석 동기모터 원리

PMSM이란 회전자에 영구자석을 사용하고 고정자의 회전자계와 동기속도로 회전하는 모터입니다. Permanent Magnet 구조와 전자기 Torque, FOC 제어 및 SPMSM·IPMSM의 차이를 알아봅니다.

PMSM이란 무엇이며 어떤 구조로 되어 있을까?

PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 Rotor에 Permanent Magnet을 사용하여 자기장을 만들고 Stator의 회전자계와 동기화하여 회전하는 영구자석 동기전동기입니다. 일반적인 3상 PMSM의 Stator에는 3상 Winding이 배치되어 있으며 Inverter 또는 Servo Drive가 각 권선에 제어된 교류전류를 공급합니다. Rotor에는 별도의 Field Winding으로 여자전류를 공급하는 대신 NdFeB와 같은 영구자석을 사용하는 구조가 널리 활용됩니다. 따라서 회전자 자속을 만들기 위한 Rotor Copper Loss를 줄일 수 있어 높은 Efficiency와 Power Density를 구현하는 데 유리합니다. PMSM은 산업용 Servo Motor, Robot, CNC Machine, Compressor, Pump, 전기자동차의 Traction Motor 등 정밀한 속도·Torque 제어와 높은 효율이 필요한 분야에서 사용됩니다. 다만 PMSM이라는 명칭은 Rotor에 영구자석을 사용한다는 것과 동기운전을 의미하며 모든 PMSM이 동일한 자석배치나 Torque 특성을 갖는 것은 아닙니다. 대표적으로 자석의 위치에 따라 SPMSM과 IPMSM으로 구분할 수 있습니다.

영구자석과 회전자계는 어떻게 Torque를 만들까?

PMSM의 Stator 3상 권선에 적절한 위상과 크기의 전류가 흐르면 회전하는 Magnetic Field가 형성됩니다. Rotor의 Permanent Magnet은 자체적인 N극과 S극의 Magnetic Field를 가지고 있으므로 Stator의 회전자계와 Rotor 자기장이 상호작용하면서 Electromagnetic Torque가 발생합니다. 정상적인 동기운전에서는 Rotor가 Stator의 회전자계와 같은 평균속도로 회전합니다. 이때 동기속도는 Ns = 120f / P의 관계로 설명할 수 있으며 Frequency와 Motor Pole 수에 의해 결정됩니다. Induction Motor와 달리 Rotor Current를 유도하기 위한 Slip이 필요하지 않으므로 정상 동기상태에서 Slip은 0입니다. 그러나 PMSM을 단순히 고정된 3상 전원에 연결하는 것만으로 원하는 운전특성을 얻는다고 이해해서는 안 됩니다. 실제 가변속 PMSM System에서는 Inverter가 Rotor Position과 운전조건에 맞춰 Stator Current의 위상과 크기를 지속적으로 제어해야 안정적인 Torque와 Speed Control이 가능합니다.

FOC는 PMSM을 어떻게 정밀하게 제어할까?

PMSM에서는 Field Oriented Control(FOC), 즉 벡터제어가 널리 사용됩니다. FOC는 3상 Stator Current를 Rotor Magnetic Field를 기준으로 회전하는 d-q Coordinate로 변환하여 자속과 Torque에 관련된 전류성분을 분리해 제어하는 방식입니다. 일반적으로 q-axis Current는 Torque 생성에 직접적으로 중요한 역할을 하며 d-axis Current는 자속방향의 전류성분으로 사용됩니다. SPMSM의 기본적인 정상운전 영역에서는 d-axis Current를 0에 가깝게 제어하는 전략이 흔하지만 IPMSM에서는 Reluctance Torque를 활용하기 위해 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어에서 음의 d-axis Current를 사용할 수 있습니다. 고속영역에서는 Back EMF가 DC Bus에서 허용되는 전압범위를 넘지 않도록 Field Weakening 제어가 적용되기도 합니다. 이러한 제어를 수행하려면 Encoder나 Resolver를 이용해 Rotor Position을 측정하거나 전압·전류 정보를 바탕으로 위치를 추정하는 Sensorless Control이 필요합니다. 따라서 PMSM의 성능은 Motor 자체뿐 아니라 Inverter와 Control Algorithm의 성능에 크게 영향을 받습니다.

SPMSM과 IPMSM은 무엇이 다를까?

SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)은 Permanent Magnet을 Rotor 표면에 배치하는 구조입니다. 상대적으로 구조를 이해하기 쉽고 d축과 q축 Inductance의 차이가 작은 경우가 많아 주된 Torque가 Permanent Magnet의 자속과 Stator Current의 상호작용으로 발생합니다. 반면 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)은 자석을 Rotor 내부에 삽입합니다. Rotor의 Magnetic Saliency로 인해 d축과 q축 Inductance에 차이가 발생할 수 있으며 Magnet Torque뿐 아니라 Reluctance Torque도 활용할 수 있습니다. 이러한 특성은 넓은 Speed Range와 Field Weakening, 높은 Torque Density가 필요한 구동시스템에서 유리할 수 있어 전기자동차 Traction Motor 등에 활용됩니다. 그러나 IPMSM이 모든 조건에서 SPMSM보다 항상 우수한 것은 아닙니다. Rotor의 기계적 구조와 Magnet 배치, 제조비용, 고속회전 시 응력, Cogging Torque와 제어복잡도 등을 함께 고려해야 합니다. 실제 Motor의 성능은 단순한 자석위치뿐 아니라 전체 전자기·기계·열 설계에 의해 결정됩니다.

PMSM을 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

PMSM을 적용할 때는 Rated Voltage, Current, Power, Torque, Speed, Pole Pair와 Back EMF 등의 Motor Specification을 확인하고 사용하는 Servo Drive 또는 Inverter와의 호환성을 검토해야 합니다. Encoder나 Resolver가 설치된 경우 Feedback Type과 Resolution, Wiring도 Drive 설정과 일치해야 합니다. Motor Parameter가 정확하지 않으면 Current Control과 Torque Control 성능이 저하될 수 있으므로 제조사의 Parameter와 Auto Tuning 조건을 확인하는 것이 중요합니다. Permanent Magnet은 높은 온도와 과도한 역자계 조건에서 자력이 감소하는 Demagnetization 위험이 있으므로 Rotor Temperature와 Cooling도 고려해야 합니다. 또한 고속회전에서는 Bearing과 Rotor Mechanical Strength, Vibration 및 Field Weakening 영역을 검토해야 합니다. 영구자석 Rotor는 전원이 차단된 상태에서도 자속을 가지고 있으며 외력으로 회전시키면 Back EMF가 발생할 수 있으므로 정비 시에도 주의가 필요합니다. 결국 PMSM은 영구자석 Rotor와 전자적으로 제어되는 Stator 회전자계를 동기화하여 높은 효율과 정밀한 Torque·Speed Control을 구현하는 대표적인 고성능 AC Motor입니다.