전기차 모터 손실에 대해 알아보자(1)

 

 잘 아시는 바와 같이 전기 모터는 전력을 동력에너지로 또는 전기에너지를 기계 에너지로 변환하는 데 사용되는 전기기기(electric machinery)입니다. 아래 그림은 전기 모터에 가해지는 에너지의 흐름도입니다. 화살표의 왼쪽 끝은 각각 전기 입력을 나타내고 오른쪽 끝은 기계 출력을 나타냅니다.

 

 보시는 그림과 같이 입력과 출력 사이에서 빠져나가는 다양한 손실들을 볼 수 있습니다. 이중 회로에서 발생하는 손실을 제외하면 모터에서는 크게 세 가지 손실이 발생함을 알 수 있습니다. 

 

출처 : https://www.nidec.com/en/technology/motor/basic/00001/

 

 

 설명한 내용을 다른 형태의 그림으로 표현하면 아래 그림과 같습니다. 오늘은 모터의 동손 그중에서도 교류 손실에 대해 알아 보도록 하겠습니다. 

 

앞선 글에서 동손, 철손 등 기본적인 발열에 대해 소개를 드린 바 있습니다. 

 

모터의 손실 분류(출처 :  https://www.nidec.com/)

 

AC 손실은 무엇일까요? 

 전도 또는 초전도 재료를 변동 자계(磁界) 중에 두었을 때나 전도/초전도 재료에 변동 전류(교류)를 흘렸을 때에 발생하는 손실이라고 할 수 있습니다. 이 손실에는 초전도체의 히스테리시스 손실, 도체의 결합 손실 및 와전류 손실, 구조 재료의 와전류 손실 등이 포함됩니다.

 

AC 손실은 크게 세가지로 분류해 볼 수 있습니다.

 

첫째, 표피효과(skin effect)에 의한 손실 :

 이는 전류가 흐르는 도선에서 전선의 가운데 부분의 전류는 상쇄되고 전선의 바깥쪽으로 전류가 쏠리는 현상에 의해 발생하는 손실입니다. 아래 논문에 인용된 것과 같이 전선 외부에 전류 밀도가 크게 보이는 것을 확인할 수 있습니다

 

출처 : Copper Loss Analysis of EV Charging Coupler

둘째, 근접효과(proximity effect)에 의한 손실 :

 여러가닥의 전선에 전류가 흐르는 경우에 서로의 전선에 영향을 주어 전류 흐름에 방해를 주는 현상에 의해 발생하는 손실입니다. 근접효과의 주된 이유는 전류를 운반하는 도체 주변에 자기장이 생성되기 때문입니다. 우리가 잘 아는 바와 같이 전류가 흐르는 전선 주위에는 자기장이 생성됩니다.

 이 자기장이 인접한 도체와 연결되면서 순환 또는 와전류가 발생하는 것입니다. 이 와전류로 인해 근처 도체의 전류 분포가 불균일해집니다. 결국 이로 인해 전선 주변의 전류 흐름에 대한 추가 저항이 발생하는 것입니다. 따라서 근접 효과로 인해 도체의 순 AC 저항이 증가합니다.

 

 

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proximity_effect_at_20kHz_and_10A.png

 

셋째, 회전 전류(circulating current)에 의한 손실 :

 누설자계에 의한 에너지 흐름에 의해 감겨있는 전선 주위에 전위차를 만들어 불균일한 전류가 흐르는 현상으로 발생하는 손실입니다. 이는 전류가 흐르는 방향에 따라서 불균일한 전류의 전위차가 생성되는 방향도 달라집니다.

 

 

 

이러한 손실을 최소화 하면 좋은 모터를 만들어 낼 수 있는 방안 중에 하나가 되는 것이겠죠.