테슬라에서는 기존에 주로 사용되던 Induction Motor를 사용하지 않고, 자체 제작한 IPMSynRM (왼쪽)이라는 새로운 모터를 사용하고 있다.
Induction Motor는 일정한 속도로 오랜 시간 운행할 때 3-4%의 에너지를 rotor bar에 전류를 발생시키는데 사용하기 때문에 비효율적이다. 또한, 자동차에서 사용되는 모터는 starting torque가 중요한데, Induction Motor가 IC engine보다 starting torque가 좋기는 하지만, 같은 크기의 모터에서 영구자석을 이용하면 더욱 좋은 starting torque를 낼 수 있다.
PM Motor는 영구 자석을 이용해서 높은 starting torque를 보이고, rotor에서 energy loss가 일어나지 않는다.
실제로는 영구자석을 위 사진과 같이 실린더에 감싸서 rotor 대신에 사용을 하는데, 이러한 형태를 Surface Monut PM Motor라고 한다.
그리고 이렇게 생긴 영구 자석에 의해서 만들어지는 자기장의 형태는 위 사진과 같다.
RMF (Rotation Magnetic Field)와 영구자석에 의한 자기장 사이에는 위 사진과 같이 힘이 작용하게 되고, 토크가 발생한다.
RMF가 회전하여 45도의 각을 이룰 때를 보면, 이때에 rotor는 maximum torque를 받게 된다. 따라서, smart controller를 통해서 이 각도를 유지하면서 자동차를 출발시키는 것이 가장 유리하다.
이러한 형태에서는 rotor에는 유도 전류가 없기 때문에 필요한 input energy가 줄어들고 induction motor보다 더욱 높은 효율을 가질 수 있게 된다.
한편, PM Motor는 차가 출발할 때나 오르막을 갈 때는 좋지만 차가 고속으로 달릴 때는 Back EMF에 의해서 성능이 매우 떨어진다.
영구 자석의 자기장이 Stator winding과 link 되어 있기 때문에 마찬가지로 EMF를 발생시키는데, 이때 만들어지는 EMF를 Back EMV라고 부른다. 그리고 당연히 이로 인해서 유도되는 전압은 stator에 공급되는 전압과 반대이다. (Reverse Voltage)
즉, Rotor가 빨리 돌수록 Back EMF가 더 많이 발생되기 때문에 PM Motor는 고속의 상황에서 성능이 떨어지게 되는 것이다.
또한, 강한 자석으로 인해서 magnetic eddy current loss도 발생하기 때문에 모터에서 발생하는 열이 더욱 많아지는 문제도 있다.
이를 해결하기 위해서 테슬라의 공학자들은 철의 자기저항에 집중했다. 중앙 rotor 부분에 slot을 파고, 왼쪽 사진처럼 되어 있는 경우에는 Rotor가 high reluctance 상태에 있다. 하지만 오른쪽 사진처럼 로터를 45도 돌린 상태에서는 Rotor가 low reluctance 상태에 있게 된다.
일반적으로 Rotor 는 low reluctance 상태가 되려는 경향이 있기 때문에 자기장이 회전하면 Rotor가 low reluctance state가 되기 위해서 같이 회전한다. 따라서 로터의 회전 속도는 RMF의 속도와 같아진다. 이런 방법을 통해서 만들어지는 토크를 Reluctance Torque라고 부르고, 이런 형태의 모터를 Synchronous Reluctance Motor (SynRM)라한다.
SynRM은 매우 효율적이고 Back EMF 문제가 없다. 즉, PM Motor는 저속에서 좋고, SynRM은 고속에서 좋기 때문에 이 둘을 합칠 수 있으면 모든 상황에서 사용할 수 있는 모터를 만들 수 있을 것이다.
이는 위 사진처럼 영구 자석을 SynRM의 slot에 잘라서 넣는 방법을 통해서 구현할 수 있다. 이런 형태는 Stator Winding에 가하는 영구 자석의 영향을 줄이기 때문에 Back EMF를 줄일 수 있다. 이런 모터를 Internal Permanent Magnet Synchronous Reluctance Motor (IPMSynRM)이라고 하고, 테슬라에서 해당 모터를 사용하고 있다.
자석의 relative permability는 공기와 거의 비슷하기 때문에 공기 했던 것처럼 자기장이 내부로 지나가지 못하게 하고, 따라서 reluctance torque를 발생시킨다.
이를 자세히 이해하기 위해서는 우선 영구자석이 만들어내는 자기장의 모습을 알아야한다. IPMSynRM 내부에 있는 영구 자석은 위 사진과 같은 형태의 자기장을 만들어낸다.
위 사진과 같이 RMF가 위치할 때는 Tangential component가 없고, 다른 힘들끼리 만들어내는 torque는 모두 상쇄되기 때문에 Torque가 발생하지 않는다.
하지만 RMF가 위 사진과 같이 45도의 각도를 이루게 되면 RMF는 영구자석에 최대의 토크를 발생시킨다.
Rotor의 Iron part와 RMF가 위 사진과 같이 inital angle에 있을 때는 완전히 misaligned 되어 있기 때문에 발생하는 토크가 0이다.
그리고 RMF를 조금 회전시키면 (22.5도) Iron part가 위 사진과 같이 최대의 토크를 받게 된다.
그리고 RMF가 45도 회전하면 토크가 다시 0이 된다.
RMF를 조금 더 회전시키면 위 사진처럼 positive reluctance torque가 유도된다.
이제 영구자석과 Iron part에 의한 효과를 합처서 살펴보자. 위 사진과 같이 RMF가 50도 정도의 각을 가질 때 total torque는 최대가 된다.
따라서 테슬라의 공학자들은 차가 출발할 때 RMF의 각이 50도가 되도록했다.
그리고 이전에 살펴본 것처럼, 차의 속도가 점점 빨라지게 되면 영구자석은 왼쪽 사진처럼 Back EMF를 발생시킨다. 이때, 오른쪽 사진처럼 RMF를 영구자석의 자기장과 반대로 allign 시키면 RMF가 영구 자석의 자기장을 없애버리게 된다. 따라서 고속의 상황에서도 Back EMF가 많이 발생되지 않는다. 그리고 이때에 torque는 대부분 reluctance effect로 부터 받아온다.
테슬라에서는 위 사진처럼 더욱 큰 토크를 얻을 수 있는 6 pole design을 사용한다.
이러한 IPMSynRM을 적용한 것은 테슬라가 처음이 아니다. 하지만 테슬라에서는 내부에 사용되는 영구자석을 위 사진과 같이 잘라서 사용하여 eddy current를 줄이고 overheating 문제를 해결했다.
IPMSynRM은 96%의 효율을 가지면서 94%의 효율을 가지는 Induction Motor보다 우수하다. 또한 IPMSynRM은 Induction Motor에서 아직 해결하지 못한 cooling 문제로부터 자유롭다.
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