영구자석 전동기를 구동하다보면 전동기 내부에서 열이 발생한다. 전동기 설계에서는 이러한 열을 고려하여 설계한다.
이 열은 모두 손실로 인해 발생하는 열이며 전기적인 이유료 발생하는 손실은 크게 고정자에서 발생하는 손실, 회전자에서 발생하는 손실로 나뉜다. 고정자는 권선에 전류가 도통되며 발생하는 도통 손실, 고정자 코어에 자속의 변화가 만드는 철손이 발생한다. 회전자에서는 영구자석에서 열이 발생하고, 회전자 코어에서 열이 발생한다. 영구자석에서는 와전류 손실, 회전자 코어에서는 철손이 발생한다.
얼마전까지만해도 회전자에서 발생하는 와전류 손실이 무었인지 잘 이해하지 못하였다. 영구자석 전동기는 일반적으로 회전자 자속기반 벡터제어를 적용하여 전동기를 구동한다. 회전자 위치를 센싱하여 회전자 자석이 발생하는 자속을 기준으로 고정자에서 자속을 발생시켜 회전자를 회전시킨다. d축 전류와 q축전류의 변화를 주지 않는이상 회전자 자속 기준에서는 고정된 위상으로 자속을 발생시키고 전동기가 회전하게 된다. 이 상황까지만 생각했을 때 회전자가 보는 고정자 자속의 변화는 없다고 생각했었다. 그래서 회전자에서 발생하는 손실은 미미할 것이라고 생각했었다. 이번에 전동기 설계자와 협업하며 전동기 제작과정과 내부구조등을 자세하게 보고 배우며 와전류에 대해 알게되었다.
회전자의 자기저항은 회전자 위치에 따라 정현파의 크기로 조금씩 변하게된다. 이는 고정자의 치 구조와 회전자의 코어, 자석배치 구조 등으로 인해 위치에 따라 자속경로의 차이가 발생하게 된다. 이로인해 자석이 발생하는 자계의 세기는 어느정도 고정되어 정해져 있지만 흐르는 자속은 경로의 차이 즉 자기저항의 차이에 따라 변하게된다. 자속의 크기가 일정한 고정값을 기준이 있고 정현파 형태의 자기저항의 크기 차이가 회전시 자속의 리플을 형성한다. 자속의 변화량은 전기적으로 폐루프를 구성하는 구조에 와전류를 발생시킨다. 이 와전류는 인버터로 전동기를 구동하지 않아도 단순히 전동기를 회전시키기만 해도 발생한다. 외부에서 구동장치를 통해 전동기를 회전하면 내부에서 이 열이 발생하게 된다. 또한 회전속도가 커지면 주파수가 높아지면서 자속의 변화량이 커지고 이는 와전류가 증가하게된다. 그래서 이렇게 와전류로 인해 발생하는 손실을 줄이기 위해 회전자에도 적층방식(라미네이트 방식)으로 제작된 코어를 사용하여 전동기를 제작한다.
또한 회전자를 손으로 돌렸을 때 부드럽게 잘 돌아가냐? 아니냐에 따라 돌극성으로 인한 자속의 변화가 크다 작다를 알수있다. 돌극성이 크면 일정한 위치에서 자석이 회전자를 고정시킨다. 즉 손으로 돌렸을 때 부드럽게 돌리지 못하고 정해진 위치로 회전자가 스스로 움직이며 돈다. 마치 지면에서 원기둥을 굴리는 것이 아니라 다각형 기둥을 굴리는 것 처럼 회전자가 돌아간다.