전기 기계란?

전기 기계는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 기계 에너지에서 전기 에너지로 변환하거나 전기 에너지를 다른 유형의 전기 에너지로 변환하는 상호 연결된 구성 요소 시스템입니다. 오늘날 세탁기와 같은 가전제품부터 의료용 임플란트 및 로봇 공학에 이르기까지 많은 전자 시스템에 전기 기계가 사용됩니다. 전기 기계는 송전선 및 기타 에너지 인프라를 통해 생산되고 전송되는 전기의 상당 부분을 담당합니다. 최근에는 전기 자동차(EV)용 전기 기계에 대한 관심이 커지고 있습니다.

전기 기계는 기계의 일부가 움직이는지 여부에 따라 두 가지 범주로 정의됩니다. 첫 번째 유형은 고정형 전기 기계로, 두 개의 고정 전기자가 있고 움직이는 부분이 없습니다. 이 유형의 주요 예는 변압기입니다. 두 번째 유형은 발전기 및 모터와 같은 회전형 또는 선형 전기 기계로, 항상 회전 또는 병진 운동하는 움직이는 부분이 있습니다. 이러한 전기 기계에는 움직이는 부분(회전자 또는 이동자)과 고정된 부분(고정자)이 있습니다.

양방향 에너지 시스템인 전기 기계는 모터든 발전기든 상관없이 이론적으로 에너지를 어느 쪽으로든 변환할 수 있으며, 출력은 기계적 에너지가 되거나 전기적 에너지가 됩니다.

변압기는 일반적으로 고정형 전기 기계 범주에 속합니다. 대부분 움직이는 전기자가 없고 에너지를 변환하는 데 운동이 필요하지 않기 때문입니다. 이에 반해서 발전기와 모터는 회전하는 부분을 가지고 있으며 운동을 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환하는 동적 전기 기계입니다. 회전형 전기 기계는 일반적으로 전압 공급이나 전자기 유도에 의해 생성되는 회전 전자기장 간의 상호작용을 통해 작동합니다. 또한 이러한 회전 자기장은 기계적 측면에서 토크를 생성하고 전기적 측면에서 전압과 전류를 유도합니다.

이 기술의 이점으로는 다음이 있습니다.

• 전기 모터는 내연 기관(ICE)과 같은 다른 에너지 변환 시스템보다 훨씬 더 효율적입니다. 즉, ICE 차량의 효율은 20~30%이지만, EV의 효율은 90~95% 이상입니다.
• 전기 자동차(EV)의 전기 기계는 ICE 차량보다 움직이는 부품이 적기 때문에 예상 수명 주기가 더 깁니다.
• 전기 기계는 탄소를 배출하지 않는 배출 제로 기술입니다.
• 전기 기계는 양방향 에너지 변환이 가능하여 구동 모드와 발전 모드 모두에서 작동합니다.

전기 기계의 일반적인 단점으로는 다음이 있습니다.

• 전기 기계는 전원 공급에 의해 제한될 수 있습니다. 예를 들어 EV는 배터리의 저장 용량 및 충전 기능에 의해 제약받습니다. 이는 에너지 밀도가 훨씬 높은 가솔린과는 대조적입니다. 따라서 ICE 차량은 효율이 70% 떨어지더라도 상업적으로 실현 가능합니다.
• 전기 기계에 의해 생성된 전자기장은 장기간 노출되면 생명체에 영향을 줄 수 있습니다.
• 서로 가까이 있는 전기 장치의 전자기장은 비슷한 주파수에 있는 경우 상호 작용하므로 서로 교란시킬 수 있습니다. 이를 전자파 간섭(EMI)이라고 합니다.
• 전기 기계 단락으로 인해 고장이 발생할 가능성이 있으며, 이에 따라 화재가 발생할 수 있습니다.

움직이는 전기 기계에서는 고정자와 회전자의 전자기장이 상호 작용합니다. 이러한 상호작용은 다음과 같은 다양한 구성 형태를 취할 수 있습니다.

• 회전자 자기장은 자체 여기됩니다(영구 자석).
• 회전자 자기장에는 별도의 전기 에너지 공급이 필요합니다(계자 권선형 동기 모터).
• 회전자 자기장은 고정자 자기장에 의한 유도를 통해 생성됩니다(유도 모터).

움직이는 전기 기계는 발전기 또는 모터로 작동할 수 있습니다. 발전기로 작동할 때 전기 기계는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하며 전력 발전 분야에 사용됩니다. 주요 응용 분야 중 하나는 풍력 터빈, 수력 발전 등의 재생 가능 에너지 생성입니다.

에너지는 일반적으로 회전 운동을 통해 생성됩니다. 선형 운동을 사용할 수 있지만, 장치는 크기에 제약을 받습니다. 회전 운동은 움직이는 부분이 실질적인 한계에 도달하지 않고 무한정 움직일 수 있게 해줍니다.

발전기를 움직이려면 기계적 에너지원 투입이 필요합니다. 몇 가지 일반적인 예로는 크랭크축, 재생 가능 에너지 기술의 풍력 또는 수력, 연료 연소 및 원자로에서 발생하는 증기 등이 있습니다. 이러한 힘은 발전기 내부의 주 동력 장치(예: 팬 또는 터빈)를 구동하여 발전기를 움직이게 하고 회전 에너지를 전압 및 전류로 변환합니다.

발전기는 다양한 형태로 제공됩니다. AC(동기 또는 유도/비동기) 발전기는 기계 에너지를 교류 및 전압으로 변환합니다. 반면에 DC 발전기는 기계 에너지를 직류 및 전압으로 변환합니다. 동기 발전기에서는 전압이 발전기의 회전 속도에 고정되지만, 유도(비동기) 발전기는 그리드의 주파수에 맞춰 고정된 회전자 속도가 필요하지 않습니다.

전기 기계는 모터로 작동할 때 전기 에너지를 기계적 운동으로 변환합니다. 모터는 샤프트, 지지대 역할을 하는 베어링 그리고 모든 구성 요소를 감싸는 하우징으로 구성됩니다.

모터에서 생성되는 토크는 고정자 자기장과 회전자 자기장의 전자기적 상호작용으로 발생합니다. 고정자 권선은 회전 자기장을 생성합니다. 하지만, 회전자 자기장은 영구 자석의 회전, 회전자 권선에 유도된 전자기장 또는 전자석의 회전에 의해 생성됩니다. 토크는 모터에 의해 생성되는 물리적 힘에 비례하며, 이 힘은 모터가 연결된 시스템(예: 차량)에서 속도를 생성하는 데 사용됩니다. 인버터는 모터의 전원 공급 주파수를 제어하여 모터의 속도를 제어하고 모터가 지속적으로 작동하도록 하는 데 사용됩니다.

다양한 산업 및 응용 분야에서 모터를 사용하며, 그중 주목할 만한 것은 다음과 같습니다.

• 산업 기계
• 차량
• 가전제품
• 펌프
• 팬
• 로봇 공학
• 피트니스 장비
• 드론
• 전력 툴

변압기는 전기 기계의 한 유형입니다. 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환하는 대신 변압기는 손실이 거의 없이 전기 에너지를 한 전압 준위에서 다른 전압 준위로 변환합니다. 변압기 작동에는 기계적 에너지 변환이 수반되지 않지만, 변압기는 고전압 송전선을 통해 전기를 장거리로 이동시키고 이를 저전압 배전망의 가정용으로 사용할 수 있게 해주는 그리드 인프라의 필수적인 부분입니다.

변압기에는 두 가지 유형인 승압 변압기와 강압 변압기가 있습니다. 두 변압기는 모두 전기 에너지의 전압을 다른 전압으로 변환합니다.

승압 변압기는 저전압 전기를 송전선에 공급할 수 있는 고전압 전기로 변환합니다. 승압 변압기의 2차 회로는 1차 회로에 비해 자석 주위에 더 많이 감겨 있어 전압이 높아집니다.

강압 변압기는 가정 및 기업을 위해 전압을 낮춥니다. 강압 변압기의 2차 회로는 1차 회로에 비해 자석 주위에 덜 감겨 있어 전압이 낮아집니다.

변압기는 고전압 전기를 장거리에 걸쳐 훨씬 더 효율적으로 전송할 수 있기 때문에 필수적이지만, 일상적인 전자 제품에 사용하기에는 너무 안전하지 않습니다. 전기를 사용하려면 전압이 더 낮아야 하는데, 변압기는 전기 그리드의 특정 지점에서 전기의 전압을 쉽게 변경할 수 있는 수단을 제공합니다.

시뮬레이션을 통해 산업 전반에 걸쳐 사용되는 전기 기계의 성능 및 효율성을 개선할 수 있습니다. 엔지니어는 전기 기계 설계에 시뮬레이션을 사용하여 전기 기계의 움직이는 부분과 움직이지 않는 부분의 성능을 모두 시뮬레이션하고 열, 전자기 및 기계적 성능에 대한 인사이트를 얻어 효율적인 설계를 보장할 수 있습니다.

Ansys Maxwell 고급 전자기장 솔버: 2D 또는 3D 유한 요소법을 사용하여 정적, 주파수 영역 및 시간 가변성 자기장 및 전기장을 계산합니다. Maxwell 소프트웨어는 ISO 26262를 준수합니다.

Ansys Motor–CAD 전용 전기 모터 설계 툴: 전체 토크-속도 작동 범위에 걸쳐 빠른 다중물리 시뮬레이션을 위한 플랫폼입니다. 전자기 성능에 내장된 2D 유한 요소 해석(FEA), 해석적 계산, 등가 회로법을 사용합니다. 또한 기계의 냉각 시스템을 최적화하여 기계적 응력과 NVH(Noise, Vibration and Harshness) 반응을 최소화하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

Ansys Mechanical Structural FEA 소프트웨어 및 Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어: 전기 기계의 물리적 설계에 대해 더욱 세부적이고 맞춤화된 후처리 시뮬레이션을 제공합니다.

Ansys ConceptEV 설계 및 시뮬레이션 플랫폼: EV 파워트레인 시뮬레이션을 위한 전용 툴입니다. 시스템 및 구성 요소 설계 엔지니어링 팀이 설계 프로세스의 시작부터 요구 사항과 관련된 공유 시스템 시뮬레이션에서 협업할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 사용자는 특히 다양한 차량 아키텍처 후보에 대한 전기 기계 설계 프로세스의 사양을 도출할 수 있습니다.

Ansys Twin Builder 디지털 트윈 시뮬레이션 플랫폼: 시스템 내에서 전기 기계와 전력 전자 간의 상호작용을 조사하는 데 사용됩니다. 전기 기계는 Maxwell 소프트웨어 등의 소프트웨어 솔루션을 이용한 Co-Simulation을 통해 모델링하거나 다양한 시나리오를 조사하기 위한 가상 환경에서 축소 차수 모델(ROM)을 통해 모델링할 수 있습니다.

시뮬레이션을 통해 더욱 효율적인 전기 기계를 설계하려면 지금 바로 당사 기술 팀에 문의하여 귀사의 설계에 Ansys 솔루션을 적용할 수 있는 방법을 알아보십시오.

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