가변 자기저항 모터: 유형, 작동 원리 및 응용 분야

가변 자기저항 모터(Variable Reluctance Motor)는 구속되지 않은 철 조각이 자기 저항(Reluctance, 전기 저항의 자기적 대응 개념)이 최소인 경로로 자기 플럭스 경로를 완성하려는 원리로 작동합니다.

동기 자기저항 모터

살극이 있는 대형 동기 모터의 회전 계자권이 탈여자되면, 여전히 정격 동기 토크의 10~15%를 생성할 수 있습니다. 이 잔여 토크는 한 회전 동안 회전자 주위의 변화하는 자기저항에서 발생합니다. 대형 모터에서는 상업적으로 실행 가능하지 않지만, 동기 자기저항 설계는 소형에서 실용적이고 비용 효율적입니다.

유도 모터의 무권선 회전자에 매칭되는 슬롯을 추가하면 동기 자기저항 모터가 됩니다. 이 모터는 유도 모터처럼 시동하지만, 고정자와 회전자 슬롯이 정렬되면서 변화하는 자기저항에 의해 구동되는 낮은 수준의 동기 토크로 빠르게 잠깁니다.

이러한 모터는 적당한 동기 토크를 제공하지만, 낮은 역률, 제한된 풀아웃 토크, 낮은 효율이라는 한계가 있었으며, 이는 반도체 전력 제어의 등장까지 지속되었습니다.

스위치드 자기저항 모터(SRM)

스위치드 자기저항 모터(SRM)는 권선이 없는 극을 가진 철 회전자와 다상 고정자로 구성됩니다. 고정자 극 쌍이 여자되면, 회전자는 아래 그림과 같이 최소 자기저항 경로로 회전합니다.

순차적 위상 스위칭은 자기 플럭스가 항상 최소 자기저항 경로를 따르도록 하여 회전자를 단계별로 추진합니다. 다음 단순화된 다이어그램은 회전자 이동과 관련 파형을 보여줍니다.

각 3상 권선의 한 끝이 공통이면, SRM을 스테퍼 모터처럼 구동할 수 있습니다: 웨이브 드라이브 시퀀스로 각 코일을 차례로 접지시키면 회전자가 60° 증분으로 전진합니다. 여러 파형이 가능합니다: 단극성 웨이브 드라이브(a), 양극성 풀 스텝(b), 6스텝 사인파 근사(c), PWM으로 생성된 진정한 사인파(d).

고정자 극 수를 두 배로 늘리면 속도가 감소하면서 토크가 증가하여, 종종 기어 감속 장치의 필요성을 없앱니다. 모터가 이산적 스테핑, 정지, 시동을 위해 설계되면 가변 자기저항 스테퍼 모터라고 부릅니다.

전자 구동 가변 자기저항 모터

SRM은 상용 전원으로 직접 구동할 때 성능이 좋지 않지만, 현대 마이크로프로세서와 반도체 드라이버 덕분에 대량 생산 응용 분야에서 경제적이고 고성능 솔루션이 되었습니다.

계자 코일을 순차적으로 스위칭하면 불규칙한 모양의 회전자를 최소 자기저항 경로로 끌어당기는 회전 자기장이 생성됩니다. 그러나 토크-전류 관계가 고도로 비선형이어서 정밀 제어가 필수적입니다.

전자 구동 설계는 브러시리스 DC 모터를 닮았지만 영구자석 회전자가 없어 구조가 단순합니다. 컨트롤러는 BLDC보다 복잡하지만, 브러시, 정류자, 회전자 권선을 없애 대량 생산 시 제조 비용을 낮춥니다.

효과적인 제어에는 정확한 회전자 위치 감지가 필요합니다. 일반적으로 광학 또는 자기 엔코더, 또는 역기전압 모니터링을 사용합니다. 마이크로프로세서는 서보 루프 내에서 정교한 스위칭 알고리즘을 실행하여 토크와 속도를 제어하고 리플 토크와 가청 소음을 최소화합니다.

리플 토크가 최소화되므로, 이 모터들은 연속 고속 작동에 뛰어납니다. 이미 에너지 효율적인 진공청소기 팬, 산업용 펌프, 고속 팬 모터(현대 진공청소기의 100,000rpm 팬 등)에 사용되고 있습니다.

장점

• 단순한 브러시리스 구조 - 정류자, 회전자 권선, 영구자석 없음
• 기존 AC/DC 모터 대비 높은 효율과 신뢰성
• 강력한 시동 토크
• 대량 생산 시 비용 효율적
• 고온 환경에서 우수한 성능
• 대량 제조 시 정확한 속도 제어 가능

단점

• 비선형 토크-전류 특성으로 제어 복잡
• 리플 토크 억제를 위한 정밀 위상 스위칭 필요
• 부드러운 작동을 위한 위상 전류 제어 필수
• 음향 및 전기적 소음 발생 가능
• 복잡한 제어 요구로 소량 생산에 부적합