교류전동기

1. 개요

2. 유도전동기와 동기전동기

2.1. 유도전동기

2.1.1. 특징

2.1.1.1. 장점

• 구동이 쉽고 가격이 저렴하다.
  유도전동기는 별다른 기교 없이 고정된 주파수를 가지는 상용전원을 그냥 직입하더라도 부하가 있든 없든 탈조 그런거 없이 어지간해서는 무난하게 회전력을 얻을 수 있다. 이는 유도전동기가 토크를 만드는 원리 상 전원의 주파수가 0만 아니라면 무조건 토크가 나오기 때문이다. 예외적으로 단상 유도전동기는 단독으로는 초기구동을 할 수 없는데 단상교류도 전류가 회전은 하지만 회전방향에 대한 정보가 없기 때문이다. 그래서 이를 보완하기 위한 약간의 기동회로를 더해줌으로써 마찬가지로 쉽게 구동시킬 수 있다.
  
  덕분에 단순한 시스템이라면 값비싼 전용 모터드라이브를 사용하지 않아도 되고 쓰더라도 영구자석 전동기에 비해 센서 의존도가 낮으므로 시스템의 가격을 크게 낮출 수 있다. 또한 제조 시에도 공정이 훨씬 단순하고 네오디뮴+디스프로슘 등의 희토류가 사용되지 않아서 전동기 자체의 단가도 훨씬 저렴하다. 그냥 얇은 규소강판을 잘라서 착착착 쌓아서 원통형으로 압착하고 다람쥐통 모양으로 슬롯을 판 다음, 슬롯에 구리 바를 끼우고 축을 끼우면 끝. 참 쉽죠?
  
• 튼튼하고 안전성이 우수하다.

전동기는 곧 발전기이기도 하다는 점을 생각해보자. 전동기를 움직이는 것도 일이지만, 긴급상황 시에 빠르고 안전하게 작동을 멈추는 것도 중요하므로 전동기의 기계적, 전기적 안전성을 따져보는 것도 무척 중요한 사항이다.

유도전동기는 기계적 관점에서 다른 전동기들보다 매우 견고하다. 왜냐하면 회전자에 영구자석을 붙인다던가 무슨 구멍을 왕창 뚫는다던가 그딴거 없이 그냥 쇳덩어리이거나 코일덩어리어도 되기 때문이다. 그래서 고속회전, 급제동, 급가속 등등 회전자에 큰 힘이 가해지는 상황에서도 내구력의 확보가 수월하고 고관성 전동기를 만드는데 유리하다.

또한 전기적 안정성도 매우 우수하다. 영구자석 전동기는 운전을 급히 멈추려 해도 회전자에 붙은 영구자석으로 인해 고정자에 유도기전력이 발생하므로 완전정지 전까지는 감전이나 누전 위험이 있으며, 경우에 따라 구동회로 파손까지 발생할 수 있다. 반면 유도전동기는 운전 중 뭔가 문제가 발생하더라도 구동원리 상 전원이 끊기면 회전자의 자화가 스스로 풀리므로 발전 같은걸 따질 필요 없이 어떤 상황에서도 안전하고 빠르게 운전을 중단시킬 수 있다.

• 비교적 열에 강하고 고토크를 내기 좋다.

일반적인 유도전동기 제작에는 고온에 취약하고 영구적인 성능 감소를 일으킬 수 있는 자석이 사용되지 않으므로 코일만 버텨준다면 작동온도의 확보가 수월하고 과부하에 강하다. 단, 이는 열에 대한 전동기의 내구력이 우수하다는 뜻이지 열에 의해 성능의 변화가 없다는 의미로 이해해서는 안된다. 온도가 오를수록 성능이 점점 떨어지는 것은 유도전동기도 어쩔 수 없다.

비교적 고온을 잘 버틴다는 점은 같은 시간 내에 더 높은 전류를 버틸수 있다는 것을 의미하므로 아무래도 저속에서 토크 상한선을 더 높게 잡던지 고토크 유지 시간을 비교적 더 확보할 수 있다. 상용전원 조건으로는 기동전류와 최대속도 등의 제약이 있기 때문에 이런 특성을 적극적으로 활용하기는 어렵고, 모터드라이브 조건이라면 전동기 사이즈를 따져봐야겠지만 아무래도 영구자석 전동기들보다 과부하 토크를 빡세게 잡기 좋다.

• 대형 시스템을 구성하기 용이하다.

단순한 구조와 우수한 전기적 기계적 특성이 결합되어 대량생산 시에도 일정한 성능의 확보가 수월하고, 대용량 전동기의 개발과 제조도 영구자석 전동기보다 더 쉽다. 거기에 열에 강하고 동작원리 상 까다롭게 자속각을 따지지 않아 병렬운전도 쉬워서 전기 기관차, 전기자동차, 엘리베이터 등 많은 분야에 유도전동기가 적용 되고 있다.

예를들어 철도나 엘리베이터에서는 1개의 인버터로 다수의 유도전동기를 동시에 구동하는 구성이 꽤 흔하다. 이렇게 하는 이유는 전동기와 인버터를 최대한 작게하여 차량 하부에 낮게 깔면 상부에 객실을 얹을 수 있으므로 구동차량도 객차로 쓸 수 있기 때문이다. 그런데 인버터는 보드 형상을 이리저리 바꾸고 분할해서 어떻게든 때려넣을 수 있지만 전동기는 어쩔 수 없이 원통 구조는 유지해야하므로 기계적인 측면에서 아무래도 차량 하부에 들어갈 정도로 소형화가 쉽지 않고, 크기가 커질수록 중량이 급격히 무거워지기 때문에 차량에 탑재하기에도 불리해진다.

이럴 때 쓰는 일반적인 해법은 비교적 작은 전동기 여러대를 병렬로 쓰는 것인데 문제는 전동기의 병렬운전 조건이 매우 까다롭다는 것이다. 예를들어 각 전동기의 성능과 제정수가 동일할 수 없으므로 전류가 한쪽으로 쏠린다던지, 내열성능이 부족해서 성능저하나 고장이 쉽게 나던지, 동기전동기처럼 각 전동기의 자속각을 고려한 맞춤 구동을 해줘야해서 애초에 병렬운전이 불가능하다던지 등등 전동기의 구조나 회로적인 문제로 인한 어려움이 따른다. 이런 문제는 보통 각 전동기를 개별로 맞춤 제어를 해주면 해결되지만 전동기 하나당 최소 6개 이상의 대전력 스위칭 소자가 필요하고 복잡한 제어회로와 소프트웨어가 추가되므로 결과적으로 각 전동기마다 전용 드라이브를 붙여주는 것과 같게 되며, 당연히 시스템이 복잡해져 부피가 커지며 단가가 크게 올라간다는 문제가 있다.

여기서 유도전동기의 장점이 크게 부각되는데 유도전동기는 동기전동기처럼 자속각을 따지지 않으므로 병렬접속이 전기적으로 전혀 문제가 되지 않는다. 또한 열과 과부하에 강해 약간의 성능불균형 정도는 깡패같은 내구력으로 무시할 수 있으며, 전동기 중 일부에 단선 등의 회로고장이 발생하더라도 이것이 시스템 전체를 무너뜨려 완전 제어불능이나 인버터 파손등의 심각한 사태로 이어지지 않게끔 Fail Safety[3]를 보장하기도 상대적으로 수월하다. 그래서 저렴하고 안전하게 대출력 시스템을 구성하기가 매우 유리하다.

• 토크가 부드럽다.

유도전동기는 동기전동기와는 달리 높은 주파수의 회전자계가 회전자를 계속 돌고 있기 때문에 고정자와 회전자의 형상으로 인한 코깅토크가 눈에 띄게 나타나지 않는다. 그래서 아주아주 일정한 토크가 필요하다면 고관성 유도전동기의 사용을 고려해 볼 수 있다.

• 전자의존도가 낮다.
  전자제어 전동기를 구현할 경우 보통 전동기의 회전축에 속도센서나 위치(=각도)센서를 설치한다. 당연히 전동기의 현재 회전속도가 얼마인지, 몇도로 돌아가있는지를 알아야 속도와 위치를 제어할 수 있기 때문이다. 그러나 이렇게 전동기에 설치하는 센서는 정밀도나 구성에 따라 단가가 비싸지는 경우가 많고 보통 전동기에서 발생하는 진동이나 케이지를 타고 흐르는 누설전류와 노이즈 등등의 각종 기계적, 전기적 충격을 고스란히 받게 되므로 시스템 전체의 내구력이 저하된다는 약점을 초래하게 된다.
  
  특히 동기전동기는 구동원리 상 회전자의 각도에 맞춰서 교류전원을 투입해야 하기에 위치정보의 중요도가 매우 높아 직접적으로 위치제어를 사용하지 않는 솔루션이라 해도 위치센서의 설치해야만 하며 보통 위치센서가 속도센서보다 내구성이 부족하고 가격이 비싸므로 단가가 상승하기 쉽다. 반면에 유도전동기는 구동원리상 회전자 자속 자체가 전기자에서 유도되는 회전자계에 의해 생성되며 이 과정에서 계자자속의 위상이 전기자 회전자계를 스스로 쫓아가는 형세가 되기에 회전자의 절대위치가 무의미하다. 이 때문에 비교적 저가의 속도센서를 쓰거나 아예 센서를 생략하고 구동하기도 하며 이를 센서리스 제어라고 한다.
  
  센서리스 제어는 전동기 전압방정식을 응용하여 회전자의 절대위치나 회전수를 추정하게끔 소프트웨어적으로 구현되는데 보통 회전수보다는 위치가 안정적으로 추정하기 어렵고 특별한 방법 없이는 극저속 조건에서 위치를 알아내는 것이 불가능하다. 또한 전동기 제정수의 변화에 민감해서 주변환경의 변화에 취약해진다는 단점도 있으나 어차피 제정수 튜닝은 유도전동기를 제어하는 과정에서 해야하는 일이고 회전수 정보는 오차나 잡음이 어느정도 있다해도 제어가 깨질 정도로 치명적인 경우는 드물다. 때문에 위치제어가 불필요한 솔루션에는 유도전동기 쪽이 센서리스를 채택하기 쉽고 그렇게 위치센서를 생략하여 단가를 절감하고 회로를 간단히 하기 용이하다.
  

2.1.1.2. 단점

• 효율이 비교적 떨어지고 발열이 크며 냉각이 어렵다.
  유도전동기는 구동원리상 회전자에도 큰 단락전류가 흐르는데 이 전류로 인해 회전자에서도 저항손과 철손이 발생하고, 회전자 전류를 유지하기 위해 고정자에 회전자의 실제 회전수보다 더 높은 주파수의 교류를 넣어주어야 해서 동일한 회전속도여도 철손이 더 커진다. 이렇게 손실요인이 대부분의 다른 전동기들보다 크거나 많기 때문에 동일조건에서 대부분 효율이 가장 낮게 나온다. 특히 유도전동기는 저속~영속도 조건에서도 일정 주파수 이상의 교류를 투입해야 하므로 철손을 무시할 수 없기 때문에 이 부분의 효율은 동기전동기에 비해 정말 끔찍한 수준으로 나온다.
  
  그리고 그렇게 손실된 전력은 전부 열로 빠지므로 유도전동기는 동일조건에서 대체로 발열이 가장 크다. 설상가상으로 회전자에서도 전류가 흐르며 상당한 발열이 발생하므로 안그래도 발열이 큰데 방열도 쉽지가 않다. 이는 효율뿐만 아니라 베어링의 수명을 단축시키는 요인으로 작용하여 전동기 수명을 깎아먹는 경우도 있으므로 방열이 중요한 경우엔 회전자 방열까지 고려하여 설계한다.
  
  그래서 회전자 냉각이 필요하거나 수랭을 사용하는 유도전동기들은 회전축 가운데에 통로를 뻥 뚫어놓던지[4] 아예 전동기 자체를 물이나 작동유 속에 담가놓기도 하는데 이런 경우엔 관리가 힘들기 때문에 일반적으로는 수랭 및 유냉이 필요한 정도로 출력밀도를 높게 쓰지 않는, 즉 가급적 소형화를 피하는 경향이 있다. 이런 유형의 유도전동기들은 보통 수도펌프나 유압 파워유니트 펌프 등으로 볼 수 있다.
  
  
• 출력밀도가 비교적 낮고 부피가 크다.
  여기서 말하는 출력밀도는 W/g이다. 즉, 출력밀도가 낮다는 것은 동일 출력 조건에서 전동기의 무게가 더 많이 나간다는 것을 의미한다. 유도전동기의 출력밀도가 나쁜 이유는 바로 위에서 언급했다시피 효율이 안좋아서 발열이 가장 크기 때문이다. 발열이 크기 때문에 그만큼 더 많은 열을 빼내야 하므로 방열면적과 열용량을 더 많이 확보해야 하고, 당연히 부피가 커지고 무거워지게 된다.
  
  
• 성능곡선의 형태가 나쁘고 고속성능이 안좋다.
  상용전원 조건을 기준으로 유도전동기는 저속에서 토크가 비교적 낮고 최대속도 근처에서 최대토크가 나오며 해당 지점 뒤부터 속도가 올라갈수록 토크가 급강하하는 형태의 성능곡선이 그려진다. 그러다보니 막상 토크가 가장 필요할 초기구동시에 최대토크를 내기 어렵다는 결점이 있다.
  
  이 문제는 상용전원의 주파수가 일정한 것이 원인이므로 모터드라이브를 사용함으로써 대부분 극복할 수 있다. 특히 전기자동차의 성능과 인터넷에 흔히 있는 유도전동기 특성이 서로 상반되게 설명되어서 혼란을 빚는 경우가 많은데 그런 자료들은 전압과 주파수가 고정된 상용전원 조건에서의 이야기고 전기자동차의 전동기는 전용으로 특별히 설계된 인버터인 모터드라이브라는 물건의 우수한 전자제어를 받으므로 애당초 구동조건부터가 다르다. 이런 조건에서는 유도전동기의 성능곡선도 직류모터와 비슷한 형태까지 확장되고 정지토크도 매우 높게 확보가 가능하다. 그럼에도 모든 유도전동기가 모터드라이브를 쓰지는 않는 이유는 이 물건의 가격이 대체로 전동기보다 더더욱 비싸기 때문이다.
  
  당연히 모터드라이브는 전동기가 물리적으로 구현 가능한 성능으로만 운전이 가능하다. 전동기의 한계를 넘는 성능을 구현 할 수는 없으며, 전동기 유형에 따른 절대적인 성능 격차를 위배하는 것은 물리적으로 불가능하다. 모터드라이브가 붙더라도 여전히 같은 조건에서 낮은 효율, 높은 발열, 구린 고속성능은 어쩔 수 없다.
  
  전자제어 기술이 발달함에 따라 기존의 전압과 주파수만을 고려하는 VVVF 제어법의 한계를 뛰어넘어 계자자속 벡터까지 고려하는 벡터제어기법이 매우 흔해졌다. 유도전동기도 이러한 벡터제어 혜택을 받아 보다 유연한 자속제어가 가능해져 약자속제어를 통한 고속운전이 가능해졌다. 그러나 유도전동기들은 동기전동기들과는 달리 계자자속을 유지하려면 항상 회전자의 회전수보다 더 높은 주파수를 투입해야 하며[5] 그나마도 주파수가 올라갈수록 회전자 리액턴스까지 덩달아 점점 커진다. 결국 전류 감소 + 더 높은 주파수 + 회전자 리액턴스 3연타로 인해 이용할 수 있는 계자자속의 크기가 영구자석 동기전동기들보다 더 낮은 속도에서 더 빠르게 줄어든다. 그래서 유도전동기들은 최대출력영역이 사실상 없거나 매우 좁고, 고속에서의 성능저하가 영구자석 전동기들보다 더 크고 급격한 경향을 보인다.
  
  
• 전자제어가 어렵다.
  적당히 구동하는건 동기전동기보다 쉬운데 막상 제대로 제어를 먹이려고 하면 상당히 번거롭다. 왜냐하면 동기전동기는 비교적 상수로 고정되는 제정수가 많으므로 약계자제어 등의 특별한 상황이 아니면 전기자 전류와 회전수만 신경써도 되지만 유도전동기는 거의 모든 제정수가 온도, 전류, 회전수, 주파수 등등 다양한 조건의 영향을 받아 변동이 심하기 때문이다. 이 때문에 영구자석 전동기보다 특성을 예측하고 최적으로 구동하기가 더 힘들다. 전문용어로는 튜닝이 어렵다고 하는데 그래서 아무 전동기나 붙여도 자동튜닝을 통해 맞춤동작이 가능한 범용모터드라이브들도 유도전동기까지 지원하는 경우는 많지 않다.
  
  예를들어 영구자석 동기전동기의 경우, 계자자속과 전기자전류의 곱으로 토크가 계산이 되는데 여기서 계자자속원이 영구자석이므로 그냥 상수로 박을 수 있어서[6] 토크상수 계산이 매우 쉽고, 주파수도 그냥 회전자 회전속도에 비례해서 가므로 같은 부하조건이면 언제나 같은 상태로 운전이 가능하다. 사실상 약계자제어를 안쓰는 운전영역은 전류만 바뀐다고 봐도 된다.
  
  반면에 유도전동기는 전기자전류와 주파수 조건이 같더라도 회전자 내부저항이 온도에 따라 변동하므로 단락전류의 크기에 변동이 생기는 등 계자자속부터가 외부조건에 따라서 지속적으로 변동하며, 주파수도 단순히 회전자를 따라가는게 아니라 유도전동기의 성능을 제어하는 중요한 변수 중 하나이므로 주파수도 따로 튜닝과 제어가 필요하다.
  
  또한 위치제어 성능이 매우 좋지 않다. 회전자 단락전류는 기생인덕턴스로 인해 고정자 전류보다 무조건 응답이 늦는데다 고정자에 항상 교류가 들어가야 하므로 위치제어의 구현이 안되는건 아닌데 동작이 많이 지저분해지고 성능이 매우 구리다. 예를들어 한 위치에 전동기를 고정시켜놓으려면 가해지는 부하의 방향에 따라서 교류의 회전방향을 계속 뒤집어야 한다. 그래서 보통 유도전동기를 위치제어에 쓰진 않는다.
  
  이러한 단점들은 그냥 유도전동기가 어쩔 수 없이 가져가는 물리학적 한계이며, 전력전자공학으로 해결이 가능한 영역이 아니다. 당연히 대부분 유도전동기를 쓰는 현장에서는 이를 감안하여 전동기 성능에 더 여유를 두던지 더 정밀하게 성능을 예측하게끔 드라이브를 설계해서 최대한 커버한다.
  
  

2.2. 동기전동기

2.2.1. 장점

• 높은 효율, 높은 출력밀도
  동기전동기는 권선계자형을 제외하면 계자자속을 유지하는데에 별도의 에너지가 들어가지 않으므로 계자 자속을 만들기 위해 추가적인 전력을 투입하지 않을 수 있어 손실 요인이 감소한다. 이 장점은 영구자석 전동기와 비영구자석 전동기 모두 포함되는데 일반적으로는 당연히 계자자속의 생성에 에너지가 안들어가는 영구자석 쪽이 더 효율이 높다. 상술했다시피 높은 효율은 발열을 감소시키고 발열이 줄어든 만큼 전동기의 부피도 줄어든다.
  
  
• 저소음
  회전자에도 전류가 흘러야 하고 무조건 일정 이상의 교류전원이 들어가야 하는 유도전동기와는 달리 동기전동기는 그럴 필요가 없으므로 정숙성 확보가 약간 더 유리하다. 대용량일 경우에는 둘 다 소음이 필연적으로 나게 되고 전기적 소음은 드라이브의 영향도 커서 차이가 줄어들지만 보통 유도전동기 쪽의 주파수 변동이 더 심하고 회전자와 고정자의 진동에 의한 소음이 더해지기 때문에 동기전동기가 상대적으로 더 소음 대책을 세우기 쉽다.
  
  
• 정속 회전 가능
  모든 교류전동기는 회전수가 주파수에 비례하는 특성이 있지만 이건 부하가 없을 때의 이야기이기 때문에 실제로 상용 전원을 넣고 부하를 걸어보면 유도전동기는 슬립이 커지면서 회전수가 점점 떨어진다. 반면에 동기전동기는 상용 전원 조건에서 부하가 어느정도 실리더라도 회전수가 바뀌지 않으므로 초기기동만 잘 된다면 꽤 유용한 정속성을 얻을 수 있다. 그래서 상용전원을 주로 쓰던 시절에는 정속 구동용 모터로 많이 사용 되었다. 대신 부하가 너무 커서 동기전동기의 토크로 감당이 안되면 고정자 회전자계와 회전자의 동기가 깨지면서 그냥 뚝 서버린다는 문제가 있다. 이를 탈조라고 하며 이 상태에 빠져버리면 일반적으로는 전동기 스스로 탈출하기는 어렵다.
  
  
• 위치제어에 용이한 특성
  모터드라이브의 제어를 받는 동기전동기는 회전자의 위치에 따라서 모터드라이브가 전류의 위상각을 실시간으로 제어하는데 이 전류가 반드시 일정 주파수 이상의 교류일 필요가 없어서 정지상태 유지 등의 위치제어 성능이 매우 좋고 응답성이 뛰어나다.
  
  

2.2.2. 단점

• 제작 단가 상승
  일반적으로 동기전동기는 유도전동기보다 가격이 비싼데 영구자석 전동기야 희토류가 들어가는 시점에서 말해봐야 입만 아프고 비희토류 영구자석 전동기들도 자석 성능 개선 및 특이한 회전자 형상의 설계 등으로 인한 가공 비용이 추가된다. 동기전동기의 회전자 형상이 현란해지는 이유는 유도전동기와는 달리 회전자 자기회로의 형상에 매우 민감하기 때문이다. 때문에 계자 자계를 원하는 형태로 성형하기 위해 추가가공이 발생한다.
  
  
• 상용 전원 이용 곤란
  직류전동기는 계자 자속과 전기자 자속의 위상차를 기계적으로 맞춰주는 정류자와 브러시가 존재하지만 동기전동기는 그러한 장치가 없기 때문에 교류전원을 무작정 때려넣으면 동기각이 맞지 않아 정상적으로 회전하지 못하고 부들부들 떨기만 한다. 미약하게 토크가 생기긴 생기는데 회전자 관성과 부하를 이길 만큼이 되지 않으니 연속적인 회전으로 이어지지 못하기 때문이다. 때문에 상용 전원에서 사용하려면 전동기를 상용전원 주파수에 맞게 먼저 회전시켜야 하는 등 이래저래 불편한 점이 많다.[7]
  
  
• 높은 전자 의존도
  위에서 설명했다시피 동기전동기의 동기각을 맞춰주려면 외부에서 회전자의 위치를 실시간으로 고려하여 전기자 전원을 투입해야 한다. 이를 위해서는 그냥 가변전압 가변주파수를 생성할 뿐만 아니라 자속의 방향도 함께 고려하는 벡터제어 알고리즘을 구현하는 모터드라이브를 사용해야 한다. 또한 회전자 자속각의 오차에 성능이 매우 민감하게 작용하므로 위치센서의 사용이 필수적이며 유도전동기와 같은 병렬운전 구성이 매우 어렵다. 보통 전동기의 극수가 많을수록, 최대 회전수가 높을수록 더 정밀한 위치센서가 요구된다. 이 때문에 전체 시스템의 초기비용이 크게 상승한다.
  
  이 위치센서의 가격과 신뢰성이 정밀도에 따라서 상당하기 때문에 일부 모터드라이브들은 고성능 마이크로프로세서와 전동기 전압방정식의 응용을 결합해 위치센서 없이도 회전자의 각도와 회전속도를 추정하는 센서리스 제어를 구현하기도 한다. 센서리스 제어를 구현하면 위치센서를 생략할 수 있으므로 단가를 절감할 수 있고 상대적으로 전동기 기계설계가 자유롭다. 센서리스제어의 성능은 전동기 제정수 변화의 영향이 크므로 센서드 제어에 비해 주변환경에 더 민감하며 보통 역기전력 위상을 관측하여 구현되므로 역기전력의 크기가 충분치 않은 저속 조건에서 사용하기 어렵다. 이것은 위치정보에 민감한 동기전동기에게는 치명적인데 그래서 역기전력 관측이 어려운 저속 조건에서는 일정 주파수의 교류를 투입하여 강제구동 시키고, 그렇게 속도가 어느정도 붙으면 역기전력 관측법으로 넘어가는 방식이 거의 대부분이다. 강제구동 시에는 탈조 위험이 크고 충분한 토크를 기대할 수 없기 때문에 당연히 정지토크가 큰 경우에는 센서리스 제어법을 사용하지 않는다.
  
  연구가 지속되면서 아예 저속 및 영속도 조건에서도 전동기를 구동할 수 있는 일명 고주파 주입법 등의 제어기법이 개발되기도 했다. 그러나 고주파 주입법의 구현을 위해서는 충분히 높은 제어 주파수와 하이엔드 마이크로프로세서, 매우 정확한 전동기 제정수 정보, 특히 자기저항 분포가 정현적이면서 충분히 돌극성이 큰 유형의 전동기가 요구되고[8] 구동전류의 리플, 전류제어 성능저하, 운전영역의 제한, 추가적인 소음, 낮은 위치정밀도, 극방향 판별 과정[9] 추가 등의 명확한 단점을 갖는다. 때문에 위치센서를 사용하지 않으면서도 충분한 기동토크가 필요한 안정적인 저속구동이 필요한 솔루션에 전용으로 튜닝을 하여 사용된다.[10][11] 고주파 주입법은 기법이 갖는 단점으로 인해 보통 강제구동 전에 위치만 찾거나[12] 매우 극저속으로만 구동하고 속도가 약간 붙었다 싶으면 즉시 역기전력 관측법으로 바꾸는 것이 일반적이다. 고주파 주입법으로 연속적인 센서리스 위치제어가 불가능하진 않지만 전류제어 성능의 저하를 피할 수 없으므로 특별한 경우가 아니라면 사용하지 않는다.
  
  

3. 교류전동기 관련 용어

3.1. 브러시(Brushed) 전동기

• 직교류 겸용 전동기
  직류와 교류를 모두 직입해도 작동할 수 있는 전동기다. 일반적인 직류전동기와 구조가 거의 유사하고 실제로도 직류를 투입했을 때에는 직권 직류전동기와 동일하게 작동하지만 교류를 투입하더라도 계자 코일과 전기자 코일의 극성이 서로 착착 맞물리게끔 설계 되어 있어서 교류전원으로도 회전이 가능하고 회전수가 주파수를 따라가지 않는다. 때문에 교류 전원을 받으면서도 직류전동기처럼 굴릴 수 있어서 믹서기, 청소기, 드릴 등등 가정집에서 RPM이 높고 가벼워야 하는 기기에 많이 들어간다. 단점으로는 브러쉬와 정류자로 인해 직권 직류전동기의 모든 단점을 다 갖게 되며, 구조적으로 동일한 성능의 직류전동기에 비해서 크기, 성능, 효율, 수명이 모두 떨어진다.

3.2. 브러시리스(Brushless) 전동기

3.2.1. BLDC(Brushless DC) 전동기

3.2.2. BLAC(Brushless AC) 전동기

4. 교류전동기의 종류

4.1. 유도(비동기) 전동기

• 농형 유도전동기
• 권선형 유도전동기

4.2. 동기전동기

4.2.1. 영구자석 동기전동기(PMSM)

4.2.1.1. 장점

• 우수한 성능 곡선과 뛰어난 제어성
  동기전동기의 동작 원리는 개념적으로는 직류전동기와 완전히 똑같기 때문에 성능 곡선도 비슷하게 그려진다. 일반적으로 최대 토크가 직선으로 쭉 뻗다가 최대출력점부터 토크가 내려오는 곡선을 가지거나 아예 0 RPM부터 최고 RPM까지 일자로 그려지기도 한다.[15] 특히나 영구자석 동기전동기들은 제어성이 뛰어난데 유도전동기나 비영구자석 전동기들과는 달리 계자자속이 상수라서 전기자 전류와 토크가 선형으로 비례하는 환상적인 특성이 있어서 전류제어와 토크제어도 엄청나게 쉽고 특성을 시험하기도 수월하다. 때문에 불특정한 영구자석 전동기를 지원하는 범용 모터드라이브들도 흔하다. 자동 튜닝이 수월하기 때문이다.

• 직접적인 약계자 제어 가능
  약계자 제어[16]는 원래 직류모터의 운전영역을 확장하기 위해서 계자전류를 감소시키는 것을 의미한다. 이렇게 되면 계자자속이 감소함에 따라 토크상수가 저하되지만 역기전력도 감소하기 때문에 전압 여유가 생겨 더 높은 회전수 영역에서도 모터를 구동할 수 있게 되므로 결과적으로 운전영역이 크게 확장되는 이점이 있다. 영구자석 동기전동기는 고정자 전류를 자속 성분과 토크 성분으로 분리하고 이를 개별적으로 제어가 가능한 벡터제어 인버터를 적용함으로써 영구자석으로 인해 계자자속이 상수임에도 불구하고 직류모터와 동일한 개념으로 약계자 제어의 이득을 손쉽게 가져갈 수 있으며, 원래대로였으면 단자전압에 걸리고도 남을 회전수나, 아예 이론상 무한대의 회전수를 허용할 수도 있을 정도로 확보 가능한 운전영역의 넓이도 가장 넓다. 반면에 유도전동기는 구동 원리 상, 슬립 주파수를 통한 간접적인 자속각 제어를 해야 하는 등 계자자속 자체도 제어루프가 필요한 요인이므로 더 까다로운 연산이 필요하고 성능도 안좋다.

• 더더욱 높은 효율과 성능
  영구자석 동기전동기는 출력밀도와 효율이 가장 높은 유형의 전동기다. 설계에 특별한 문제가 없으면 대체로 효율 90%는 코웃음 치면서 넘어가고 50kW가 넘는 중대형 전동기들은 95% 이상도 수월하게 찍는다. 아예 ABB[17]는 효율이 99.05%인 44MW 동기전동기 제작에 성공하기도 했다. 보통 전동기는 대형일수록 효율을 좋게 만들기가 수월한데 권선의 두께를 크게 늘려 동손을 최소화하기 쉽고 동시에 고정자 강판의 두께와 크기가 전동기 전체에 비해 매우 얇아지게 되므로 철손까지 덩달아 확 줄어드는 효과가 있어서 그렇다. 반대로 손가락 정도 크기의 전동기들은 효율이 60%를 넘기면 잘만든 수준으로 평가된다. 이렇듯 대부분의 전동기들은 성능과 효율이 좋게 나오는 적정 사이즈들이 어느정도 정해져 있는 경향이 있다.

4.2.1.2. 단점

• 내환경성 취약
  영구자석은 열을 받게 되면 조금씩 자력이 저하되는데 이를 "감자"라고 한다. 영구자석 중 가장 강력한 네오디뮴 자석도 약 50~60℃부터 감자가 일어난다.[18] 다행히도 감자 중에서 비교적 저온영역에서 일어나는 "가역감자"는 일정 수준까진 성능저하 폭이 크지 않고, 식으면 자력도 다시 돌아오므로 크게 문제가 되지 않는다. 그러나 자석이 너무 고온이나 저온에 노출되면 자력이 다시 복구 되지 않는 "불가역감자"[19]가 발생할 수 있으며, 이 경우에는 모터의 힘이 영구적으로 떨어지거나 토크를 내지 못하게 된다. 또한 약계자 제어 등의 이유로 자석에 외부 자기장이 너무 강하게 가해질 경우에도 탈자가 되어버리면서 마찬가지로 자석이 맛이 갈 우려가 있다. 중요한 포인트는 모터의 영구적인 성능변화가 발생한다는 점인데 이는 전자제어를 자주 받는 동기전동기 특성상 바람직하지 않은 특징이다. 모터드라이브가 모터의 성능을 정확하게 예측할 수 없게 되므로 성능변동이 너무 심하면 아예 제어가 깨질 위험이 발생하기 때문이다. 또한 후술할 표면형 영구자석 전동기는 자석이 회전자 표면에 곡선으로 붙는데 이 접착제가 열화되면서 원심력을 버티지 못하거나 파손 될 위험도 있다.

• 제작 단가 상승 및 낮은 생산성
  애초에 영구자석의 원료 자체가 값비싼 희토류이고, 설령 희토류가 아닌 값싼 소재로 만들어낸 자석이라 해도, 자석의 성능 및 내구도 개선 등을 위한 특수처리를 굉장히 많이 해야 하기 때문에 단가가 팍팍 올라간다. 또한 영구자석의 상술된 특수처리비용 이외의 가공 역시 비용이 많이 들어가는데다가, 만들 수 있는 형태가 제한 되어 있고 깨지기도 쉽기 때문에 제작성이 나쁘다. 네오디뮴이라는 희토류로 만든 매우 강력한 영구자석 중 하나인 네오디뮴 자석이 대표적인 예. 또한 다른 예를 들어, SPM은 원통형 회전자 표면에 자석이 붙어야 하기 때문에 자석 모양을 곡선으로 만들어야 하므로 가공비용이 비싸다. 대형 영구자석 전동기를 만들게 되면 그냥 유도전동기처럼 대충 가공해서 적층만 하면 끝이 아니라 회전자에 작은 자석 여러개를 붙이는 등의 특수한 작업이 필요하고 회전자와 고정자를 조립할 때에도 회전자에 붙은 영구자석의 자력이 고스란히 있으니 조립도 힘들어서 생산성이 매우 나쁘고 성능이 일관되게 나오기가 쉽지 않아서 양산성도 좋지 않다. 자석 자체의 성능이 일정하지 않은 경우가 꽤 있는데 이런 불량 자석은 걸러내기도 힘들고 수리도 힘들다.

• 제어 불가능한 전류의 위험성
  영구자석 전동기는 다른 기계와는 다르게 외부에서 힘을 받아 돈다고 해도 특별한 대책 없이 사양 상의 최대 회전수 이상으로 회전이 예상되면 주의가 필요하다. 왜냐하면 영구자석의 자기력이 어디로 가는게 아니므로 코일에 전압이 유기 되면서 발전기가 되기 때문이다. 이를 역기전력이라고 하는데 이 역기전력의 크기가 회전수에 비례하기 때문에 이런 이상전압을 흡수할 수 없을 경우, 회전수가 올라가면서 전원의 전압 이상으로 가버리는 등의 상황이 되면 사고가 발생할 우려가 있다. 특히 약계자 운전 중인 영구자석 전동기 시스템에서 오류가 났거나 위치센서가 맛이 가면 인버터 파손 등의 문제가 쉽게 발생할 수 있어 주의가 필요하다.

• 더 높은 전자 의존도
  특히 영구자석 계열 전동기들은 전자제어가 없이는 절대로 전동기의 성능을 100% 끌어낼 수 없다. 약계자 제어나 비싼 값만큼 높은 성능이 요구되는 경우가 많기 때문인데 이런 성능을 달성하기 위해서는 필수적으로 모터드라이브가 요구된다.

4.2.1.3. 종류

• 표면형 영구자석 동기전동기
  줄여서 SPM이라고도 한다. 회전자 표면에 자석이 부착된 형태의 전동기이다. SPM은 효율이 매우 높고 특성도 뛰어나 제어성이 우수하지만 회전자 표면에 영구자석을 직접 부착해야 하기 때문에 접착제와 테이프를 둘둘 감아놓는 식으로 제작되는 경우가 많은지라 내환경성이 나쁘고 고RPM으로 제작하기가 약간 불리하다.[20] 그래서 확실한 내구력이 필요하면 아예 통째로 몰딩을 해버리기도 한다. 또한 회전자의 표면에 맞춰서 자석을 곡선으로 가공해야 한다는 불편함도 있다. 주로 저속 고토크 동작하는 AC 서보 모터에 사용되는 방식이다.

• 매입형 영구자석 동기전동기
  줄여서 IPM이라고도 한다. SPM과 유사하지만 회전자 내부로 자석이 매입되는 형태의 전동기이다. 표면에 붙일 필요가 없으므로 자석의 형태와 배치가 상대적으로 자유롭고 회전자 내구력이 더 뛰어나며 SPM보다도 더 높은 출력밀도를 획득할 수 있다. 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 자기저항에 의한 릴럭턴스 토크를 모두 활용할 수 있으므로 영구자석 비영구자석 하이브리드 전동기라고 할 수 있다. 다만 이 때문에 전류 토크 곡선이 비선형이 되어 계산이 까다로워지고 상대적으로 모터 상수의 변화에 취약해지며 SPM에 비해 제어성이 나빠진다는 단점이 있다.[21]
  
  특히 돌극비가 큰 IPM은 전압이 남아 돌더라도 약계자 제어를 하는 경우가 많다. 왜냐하면 약계자 제어를 해서 손해보는 마그네틱 토크보다 릴럭턴스 토크가 더 커서 약계자 제어를 해줘야 최대토크를 낼 수 있는 경우가 많기 때문이다. 이 경우엔 센서 의존도가 더 높아지고 센서리스 운전 난이도도 훨씬 높다.
  
  IPM 전동기는 로터의 특성상 d축과 q축의 인덕턴스에 차이가 있는데, 이를 돌극성(Saliency) 이라 한다.[22] 이런 특징으로 인해 로터의 각도에 따라 전동기의 각 상의 인덕턴스에 연속적인 변화가 발생하는데, 인버터에서 고정자에 고주파를 주입하여 인덕턴스 변화를 추적하므로써 엔코더 없이 정지 상태나 저속 운전 상태에서 회전자의 각도를 판독할 수 있다. 이를 고주파 주입법(High frequency injection)이라 하는데 원리를 더 쉽게 설명하자면 전동기 자체를 레졸버처럼 굴리는 것과 거의 같다고 볼 수 있겠다.
  
  고주파 주입법을 철도 차량 같은 대형 시스템에서는 난이도가 좀 있다. 왜냐하면 주입되는 고주파 전류의 주파수가 높을수록, 고주파 전류의 크기가 클수록 추정성능이 좋아지는데 보통 대용량 전력소자들은 이렇게 높은 주파수의 전류를 안정적으로 성형해낼 정도로 스위칭 주파수에 여유가 없는데다 그런 고주파 전류를 정밀하게 잡아낼 정도의 대용량 전류센서도 찾기 어려워서 그렇다. 그래서 이런 조건에서는 위치추정이 가능할 정도의 고주파 전류를 주입하게 되면 유의미한 수준의 잡음, 진동, 소음이 올라올 가능성이 높고 특히나 IPM은 탈조가 전류제어 깨짐으로 이어지기 쉬워서 철도 같은 대형 시스템에서 센서리스 제어법을 채용하는 것은 위험하기도 하고 개발이 쉽지도 않다.[23] 결정적으로 센서리스 제어를 쓰는 가장 큰 이유가 시스템 단가를 줄이려고 하는 것인데 이런 대형 시스템은 정밀한 위치센서가 필요한 것도 아닌지라 전체 단가에서 위치센서가 차지하는 비중이 얼마 안되므로 개발 난이도에 비해 얻는 이득이 크지 않다. 그래서 보통은 그냥 위치센서를 쓰는 경우가 많다. 이런 환경에서 쓰라고 로터리 엔코더나 레졸버 같은 견고한 위치센서들이 개발되는 것이다.
  
  그럼에도 불구하고 도시바의 통근형 전동차 PMSM 트랙션 시스템은 IPM 전동기를 완전 센서리스로 구동하는 등, # 대형 시스템에서도 센서리스가 채용되는 경우가 없지는 않은데 이는 보통 위치센서가 전동기의 회전축에 장착되므로 이를 제거함으로써 전동기의 유지보수성을 개선하고 시스템 운용에 치명적일 수 있는 고장 요인을 하나 뺌으로써[24] 신뢰성을 향상시킬 수 있어서 그렇다. 또한 과거와는 달리 대형 전력소자들의 성능과 특성이 매우 우수해졌고 1C1M 구성이 강제되는 PMSM의 특성 상 개별 인버터에 요구되는 규모도 줄어드므로 전동차에서도 충분히 구현 가능한 범위로 들어온 것도 크다.
  

4.2.2. 비영구자석 동기전동기

• 동기 릴럭턴스 전동기
  줄여서 SynRM이라고도 한다.[25] 회전자 자기저항 분포가 정현파로 나타나게끔 설계한 전동기이며, 따라서 정현파 교류를 투입해야 작동한다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLAC라고 생각하면 될 것이다. 설계에 따라서 유도전동기처럼 직입기동이 가능하게 만들 수도 있으며, 이 경우에는 유도전동기의 직입기동 특성과 동기전동기의 정속도 특성을 모두 가질 수 있다. 그래서 과거 영사기에서 많이 사용 되었다.
  
  정현파 전원 기반이기에 안정적이고 그나마 특성이 쓸만하게 나오는지라 고성능 릴럭턴스 전동기들은 대부분 동기식으로 제작 된다. 우리가 볼 수 있는 제품 중에는 전기자동차 중 테슬라 모델3의 전동기가 PMASynRM(영구자석보조 동기 릴럭턴스 전동기)로 되어 있다.

• 스위치드 릴럭턴스 전동기
  줄여서 SRM이라고 한다.[26] SynRM과 달리 회전자가 완전히 네모네모하게 돌극비를 가지도록 되어있으며 이 때문에 회전자 형상이 거의 톱니모양처럼 나타난다. 회전자 위치에 맞춰 직류 전원의 극을 교번해서 투입해야 하며, 직입기동 구성은 불가능하므로 모터드라이브가 반드시 필요하다. 릴럭턴스 전동기 버전 BLDC라고 이해하면 될 것이다. 당연히 회전자 형상이 저러니 코깅토크도 무지막지하고 소음도 무지막지하다. 대신 그냥 돌려도 회전수가 올라감에 따라 약자속 효과가 손쉽게 나타나고 이 덕분에 영구자석이 없는 초고속 전동기를 저렴하고 튼튼하고 간단하게 써먹을 수 있다는 장점이 있어서 고성능 자동차에 들어가는 슈퍼차저 등이 SRM으로 제작 된다.
  
  이 SRM에서 극수를 엄청나게 늘리고 직류 단락전류로 제어하면 스테핑 모터가 된다. 스테핑 모터도 영구자석을 안쓰고 릴럭턴스 토크만으로 스톨 토크를 만드므로 릴럭턴스 전동기의 일종이다. 다만 하이브리드 스텝 모터는 두 회전자 사이에 영구자석이 포개어지듯 장착되어 있는데, 우리가 일반적으로 볼 수 있는 스텝 모터가 이 하이브리드 스텝 모터이다. VR 스텝 모터에 비해 크기 대비 토크가 높다는 장점이 있다.