고전압 및 고주파 환경에서 구동 모터의 설계 특징 [전기 구동 시스템 컨퍼런스]

2025 SMM(제4회) 전기 구동 시스템 컨퍼런스 & 구동 모터 산업 포럼 - 자동차 전기 구동 시스템 포럼

에서 6월 21일, 자위치 저장 전기 구동 혁신센터 연구원 부원장이 '고전압 고주파 환경에서 구동 모터 설계의 특징'에 대한 인사이트를 공유했습니다. 배경 및 과제

1.1 배경 - 정책/산업

전기차 구동 모터의 속도 범위는 넓고 주행 중 잦은 가감속이 필요해 일반 속도 제어 시스템보다 운전 조건이 훨씬 복잡합니다. 전기 구동 시스템은 전기차 동력 성능을 결정하는 핵심 요소입니다.

• 미국 에너지부(DOE) 2025년 전기차 개발 계획;

• 주행 거리 및 성능에 대한 소비자 요구 증가;

• 글로벌 자동차 산업에서 중국 브랜드의 '곡선 추월' 모범 사례;

• '저탄소 환경 보호, 탄소 정점, 탄소 중립, 에너지 절약 및 배출 감축'을 위한 중요한 접근 방식;

이에 따라 전기 구동 시스템은 더 가볍고, 더 작고, 더 효율적이며, 더 신뢰성 있어야 하며 전력 밀도 요구가 증가하고 있습니다.

1.1 배경 - 전기 구동 시스템 솔루션/부품 및 권선

SiC 인버터는 높은 스위칭 주파수, 낮은 손실, 높은 작동 전압을 제공하여 구동 모터의 속도 및 전력 밀도 향상에 기여합니다.

플랫 와이어 권선은 높은 점적률, 낮은 DC 저항, 우수한 열 전도성을 가지며 중저속 조건에서 모터 효율과 전력 밀도를 향상시킵니다.

1.1 배경 - 전기 구동 시스템 솔루션

신에너지 차량 전기 구동 시스템의 주류 솔루션: SiC 인버터 + 플랫 와이어 권선 영구 자석 동기 모터;

1.2 기술적 어려움과 과제 - 고전압, 고주파

고전압은 절연 재료의 유전 손실을 증가시키고 부분 방전 위험을 높입니다.

고주파는 플랫 와이어 권선의 AC 손실 증가와 슬롯 내 불균일한 손실 분포를 야기해 국부 과열점을 발생시키기 쉽습니다.

고전압, 고주파 조건에서 권선의 턴 간 전압 불균일 분포는 고주파 기생 매개변수로 인해 악화되어 절연 손상 및 고장을 일으킵니다.

1.2 기술적 어려움과 과제 - 대응책

초기 설계 단계에서 손실, 열, 전압 스트레스의 불균일 분포를 철저히 고려합니다.

고온 내성, 고내코로나성 절연 바니시, 절연 재료 및 에나멜 와이어를 사용합니다.

새로운 모터 토폴로지, 새로운 권선 구조, 신소재, 신공정, 효율적인 열 관리 시스템 등 다각적인 종합 대책을 마련해야 합니다.

고전압 조건에서 구동 모터 설계의 주요 고려 사항

2 고전압 조건에서 구동 모터 설계의 주요 고려 사항

2.1 절연 시스템 설계 - 재료

고주파 및 높은 dv/dt 여기 조건에서 권선 절연은 상당한 전기적, 열적 스트레스의 이중 영향을 받게 됩니다. 고출력 밀도와 높은 신뢰성이 요구됨에 따라 모터의 절연 안전 여유는 점차 재료 파라미터의 허용 한계에 근접하고 있습니다. 따라서 초기 설계 단계에서 모터의 턴 간 절연에 대한 안전 분석 및 평가를 수행할 필요가 있습니다. 절연 안전 여유를 확보하고 손상 및 조기 고장을 방지하기 위해 절연 두께 증가, 내열 등급이 더 높은 절연 재료 사용, 내코로나성 절연 재료 등의 조치를 취할 수 있습니다. 예를 들어, 일본 후루카와 전기가 개발하여 Honda iMMD 구동 모터에 적용한 내코로나 PEEK 와이어는 더 높은 부분 방전 개시 전압(PDIV)과 우수한 열전도성을 실현할 수 있습니다.

2.1 절연 시스템 설계 - 냉각

모터의 출력 밀도가 증가함에 따라 손실 밀도도 불가피하게 증가합니다. 고주파 조건에서 근접 효과 및 표피 효과의 영향과 결합되어 모터 슬롯 내 열원 분포가 불균일해지기 쉬워 국부적 과열을 유발할 수 있습니다.

모터 절연 재료의 수명은 온도와 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 모터의 열 관리 계획에 주의를 기울이고, 슬롯 내 권선 냉각, 권선 직접 냉각 등 효율적인 냉각 구조 개발을 강화해야 합니다.

2.2 펄스 과전압 - 원인 및 계산 모델

인버터, 전송 케이블, 모터 간 특성 임피던스 불일치로 인해 파동 반사 원리에 따라 PWM 펄스파가 인버터와 모터 권선 사이에서 여러 번 반사됩니다. 반사 전압과 입사 전압의 중첩으로 모터 권선 단자에 버스 전압보다 높거나 낮은 펄스 진동 전압이 발생하여 펄스 전압이 생성됩니다. 피크 전압은 모터 절연에 부분 방전을 일으키는 가장 위험한 요인입니다.

2.2 펄스 과전압 - 억제 방법

스위칭 주파수가 이 값보다 낮으면 이중 펄스 중첩 현상이 발생하지 않습니다. 따라서 임피던스 매칭 설계를 통해 스위칭 주파수가 이 주파수보다 낮도록 보장해야 합니다.

2.3 전압 레벨별 모터 효율 맵

400V, 600V, 800V의 버스 전압에서 구동 모터의 효율 분포를 비교했습니다. 버스 전압이 증가함에 따라 구동 모터의 고효율 영역이 크게 확장됩니다. 또한 코너 속도가 증가함에 따라 고효율 영역이 고속 영역으로 이동하는 뚜렷한 경향을 보이며, 이는 고속 모터 설계 요구와 일치합니다. 따라서 신에너지 차량용 고전압 전기 구동 시스템의 개발은 배터리의 고속 충전 요구를 충족시킬 뿐만 아니라 구동 모터의 고효율 및 고밀도 설계에도 새로운 기회를 제공합니다.

고주파 조건에서 구동 모터 설계의 주요 고려 사항

3.1 전류 고조파 손실 - 원인 및 위험

신에너지 차량용 구동 모터는 일반적으로 공간 벡터 펄스 폭 변조(SVPWM) 기술을 사용하는 전압원 인버터에 의해 구동됩니다. 스위칭 사이클에서 각 소자의 지속적인 온/오프 동작 중에 고주파 전류 고조파가 발생합니다. 한편, 소자의 데드 타임과 턴온/턴오프 시간으로 인해 인버터의 출력 전압 및 전류 파형에 왜곡이 생겨 고주파 고조파가 유입됩니다. 이러한 전압 및 전류 고조파는 일반적으로 반송파 주파수와 그 배수 근처에 위치하여 손실을 증가시키고 효율을 저하시킵니다.

3.1 전류 고조파 손실 - 억제 방법

스위칭 주파수가 증가할수록 전류 파형의 정현파 정도가 개선되고 주요 부고조파의 주파수가 증가하지만, 고조파 전류의 진폭은 현저히 감소합니다.

따라서 전류 고조파 손실을 억제하는 방법은 전류 파형의 정현파 정도를 향상시키고 각 차수의 고조파 함량을 줄여 전류 고조파 손실을 줄이는 것입니다. 주요 조치로는 인버터 스위칭 주파수 증가, 슬롯/극 스큐, 자극 구조 최적화, 권선 형태 선택, 슬롯-극 조합 선택 등이 있습니다.

3.2 권선의 고주파 교류 손실 - 원인 및 위험

교류가 도체를 흐르거나 교번 자기장에 있을 때, 표피 효과와 근접 효과라는 와전류 효과가 유도됩니다. 피부 효과로 인해 교류 전류가 도체를 흐를 때 전류는 도체 표면으로 몰리는 경향이 있으며, 근접 효과로 인해 인접한 두 도체의 전류는 서로의 자기장 영향으로 측면으로 몰리는 경향이 있습니다. 두 효과 모두 도체의 실질적인 도전 면적을 감소시키고 손실을 증가시킵니다.

구동 모터의 작동 주파수가 높을수록 플랫 와이어 권선의 교류 손실은 더욱 심각해집니다. 또한 신에너지 차량용 구동 모터는 다양한 조건에서 작동하며, 특정 작동점에서 플랫 와이어 권선의 교류 손실 비율이 매우 높습니다. 이로 인한 악영향은 주로 세 가지 측면에서 나타납니다: 모터 효율 감소로 전기 구동 시스템의 출력 밀도 향상에 불리함; 방열 요구 사항 증가로 모터 냉각 구조 및 열 관리에 대한 더 높은 요구 발생; 슬롯 내 손실 분포 불균일로 국부적인 핫스팟을 유발하고 모터의 절연 안전을 위협합니다.

따라서 모터 개발 단계에서 충분한 주의를 기울여야 합니다.

3.2 권선의 고주파 교류 손실 - 억제 방법

고주파에서 플랫 와이어 권선의 교류 손실 억제 방법은 주로 다음과 같습니다:

고정자 슬롯 개구부 크기 증가 (전기자 자기장으로 인한 도체 손실 감소 목적);

도체와 고정자 슬롯 개구부 사이 거리 증가 (영구 자석 자기장 하의 슬롯 누설 자계로 인한 도체 손실 감소 목적);

도체 크기 축소 (표피 효과 및 근접 효과 영향 약화 목적);

자기 절연 브리지 크기 적절히 증가;

슬롯 간 및 층간 도체 전위 (병렬 분기 수가 1개 초과 시 순환 전류 손실 감소 목적);

권선에 리츠 와이어 사용 (가닥 간 전위).

3.3 다양한 스위칭 주파수에서의 모터 효율

스위칭 주파수 10kHz, 20kHz, 50kHz에서 구동 모터의 손실을 비교했습니다. 스위칭 주파수가 증가함에 따라 모터 각 부분의 손실은 감소하는 추세를 보입니다. 그러나 스위칭 주파수가 특정 값까지 증가하면 모터 손실은 더 이상 크게 변하지 않습니다. 따라서 일정 범위 내에서 높은 스위칭 주파수는 전체 모터 손실을 줄이는 데 유리하며, 이는 고속 모터 설계에도 도움이 됩니다.

그러나 스위칭 주파수가 증가하면 인버터 손실도 그에 따라 증가합니다. 따라서 스위칭 주파수를 선택할 때는 모터와 인버터 손실 간의 균형을 맞춰 전체 전기 구동 시스템의 총 손실을 최소화해야 합니다.

요약

4.1 요구 사항

고전압 및 고주파 조건에서 구동 모터의 핵심 설계 요구 사항:

Ø 신뢰할 수 있는 절연: 고주파 PWM 펄스는 인버터와 모터 권선 사이에서 여러 번 반사되어 권선 끝에서 전압 중첩을 일으켜 권선 절연 안전에 위협이 됩니다;

Ø 전자기 효율: 고주파 작동은 표피 효과와 고조파 손실을 심화시키므로, 평각 동선 권선 토폴로지, 슬롯 개구 구조 및 자기 장벽 설계를 최적화하기 위해 정밀한 전자기 모델링이 필요하며, 여러 방법을 사용하여 전자기 변환 효율을 종합적으로 향상시킵니다;

Ø 효과적인 냉각: 높은 전력 밀도는 손실 집중과 열 에너지 밀도 증가를 초래합니다. 3D 프린팅 냉각 채널 및 슬롯 내 수냉과 같은 기술을 결합하여 다중 냉각 시스템을 구축하고, 유체 및 열장 연성 시뮬레이션을 활용하여 냉각 경로를 최적화하며 모터 구성 요소의 온도를 합리적인 범위 내로 유지합니다.

4.2 모순

• 공급 전압을 높이면 구동 모터의 고효율 영역이 크게 확장되지만, SiC가 출력하는 높은 dv/dt 펄스 전압이 모터 권선의 절연 전압 스트레스를 증가시켜 권선 절연 안전을 위협합니다;

• 더 높은 작동 주파수는 회전 속도와 극 수 증가, 그리고 구동 모터 전력 밀도 향상을 촉진하여 시스템의 소형화 및 경량화 요구를 충족시킵니다. 그러나 이는 교류 권선 손실과 기계적 손실 증가로도 이어지며, 전자는 슬롯 내 열 분포 불균등을 심화시킵니다.

4.3 균형

• 다변수, 강결합, 비선형 시스템인 모터 설계에서 한 가지 기술적 문제를 해결하면 필연적으로 다른 문제가 발생합니다. 모터 설계는 모순 속에서 균형을 찾는 과정으로, 성능 향상, 손실 억제, 냉각 구조, 열 관리, 절연 안전 간의 균형이 필요합니다;

• 단일 제품 사고의 관성에서 벗어나, 전기 구동 시스템 전체의 개선에서 차량 전체 효율 및 출력 밀도 향상까지 거시적으로 문제를 고려합니다.

또한, 저장 전기구동 혁신센터의 개요, 포지셔닝, 구축 목표, 전략 계획, 휴머노이드 로봇 및 저고도 경제를 소개했습니다.

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