EV차량에 적용된 구동모터의 IPM의 로터 형상 설계 및 토크리플 저감 설계 Design and Analysis of Rotor Shape for IPM Motors and Torque Ripple reduce in EV Power Traction Platforms원문보기
지구 온난화에 따른 환경 변화는 자동차 산업분야의 다양한 규제를 신설하기 위한 중요한 요인이 되고 있으며, 특히 친환경 자동차분야에서 전기구동 차량에 대한 수요가 급격히 증대되고 있다. 전기구동 차량에 적용되는 구동모터는 IPM형상을 갖는 모터로써 회전자 내부에 자석을 매입하는 형태의 모터를 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다. 이는 IPM모터의 넓은 속도 토크 가변 영역과 경량, 고출력으로 에너지 효율성이 큰 장점에서 기인하고 있다. 아울러 IPM 모터의 성능에 가장 큰 영향을 주는 인자는 로터 형상이 어떤 형상을 갖느냐에 따라 특성이 전체적으로 달라지기 때문에 ...
지구 온난화에 따른 환경 변화는 자동차 산업분야의 다양한 규제를 신설하기 위한 중요한 요인이 되고 있으며, 특히 친환경 자동차분야에서 전기구동 차량에 대한 수요가 급격히 증대되고 있다. 전기구동 차량에 적용되는 구동모터는 IPM형상을 갖는 모터로써 회전자 내부에 자석을 매입하는 형태의 모터를 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다. 이는 IPM모터의 넓은 속도 토크 가변 영역과 경량, 고출력으로 에너지 효율성이 큰 장점에서 기인하고 있다. 아울러 IPM 모터의 성능에 가장 큰 영향을 주는 인자는 로터 형상이 어떤 형상을 갖느냐에 따라 특성이 전체적으로 달라지기 때문에 전기자동차 구동용으로 적합한 IPM모터 형상 선정은 전기차 구동 모터 설계에 있어 매우 중요한 기술적 인자라 할 수 있다. 그러나, 전기구동차량 IPM모터의 형상의 중요성이 날로 증가됨에도 불구하고 산별적으로 로터구조를 제안하고 있어 전기구동차량 구동 모터에 적합한 IPM모터의 로터 형상에 최대 출력인지에 대한 연구가 미흡하다. 또한 전기자동차 구동용 전기모터는 전기자동차 성능에 큰 영향을 미친다. 어떠한 구동 모터를 사용하느냐에 따라서 주행거리, 효율, 토크, 진동, 최대속도, 가속력 등이 결정되거나 다르게 분석 된다. 최근 많이 사용되는 구동용 모터는 매입형 영구자석 동기전동기가 사용된다. 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석이 회전자 내부에 매입된 구조로써 세 가지의 장점을 다음과 같이 나열해 볼 수 있다. 첫 번째로 영구자석에 의한 토크성분과 d-q축 자기저항의 차이에 의한 토크 성분을 함께 가지므로 큰 출력밀도를 확보할 수 있다는 장점을 지닌다. 또한, 그리고 매입된 영구자석의 자기적 특성이 공극과 유사하기 때문에 회전자 내부에 d-q축 인덕턴스 분포의 차이가 현저하게 나타난다. 이러한 돌극비에 비례하여 약계자 제어를 통해 광범위한 가변속 운전 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 매입형 영구자석 전동기의 특징인 높은 출력밀도, 넓은 속도 영역, 기구적 강성까지 확보하여 고출력 및 고속 운전이 가능하다는 이점을 가지고 있기 때문에 전기자동차 구동모터에 지속적으로 적용되고 있다. 마지막으로 매입형 전동기의 구조는 회전자에 자석이 삽입되어 있고 양끝에는 마그네트 배리어가 존재하여 자석으로부터 발생되는 자속의 자로에 따라 전기기기의 특성이 다르게 된다. 이러한 특성을 원하는 방향으로 설계한다면 손실, 출력, 효율, 코깅토크, 토크리플 등을 개선할 수 있다. 이와 같이 다양한 면에서 장점을 가지고 있지만 단점으로는 회전자 표면의 자속 분포가 균일하지 못하여 자로의 조건이 같지만 다른 형태의 모터에 비해 토크 리플과 코깅 토크가 높게 발생된다는 점이 있다. 토크 리플이 높으면 모터에서 진동 및 소음이 발생되어 전동기 구동 시스템에서 고장 발생의 원인된다. 또한, 계자부에 영구자석을 사용하여 전동기에서 발생하는 코깅 토크는 일반적으로 다른 전동기와는 달리 매입형 영구자석 동기전동기에서는 회전자 내부의 영구자석과 고정자의 슬롯 구조간의 자기저항 차에 의해 발생한다. 이러한 점을 보완하기 위하여 역기전력의 고조파와 관련된 토크 리플은 전동기의 소음 및 진동 발생에 영향을 주기 때문에 최대한 저감해야할 필요가 있으며, 코깅 토크 또한 전동기의 소음 및 진동 발생에 큰 영향을 미치므로 설계 단계에서 이름 최대한 저감시킬 필요가 있다. 따라서 전기자동차 구동모터 성능향상 및 신뢰성 확보를 위해 매입형 영구자석 전동기의 진동과 소음 저감을 위하여 많은 연구가 활발히 진행 되고 있다. 토크리플과 코깅 토크를 저감하기 위한 방법으로써, 배치의 조정, 슬롯 및 치의 폭 조정, 영구자석의 스큐 적용, 치에 보조구 생성, 무슬롯 전기자의 사용, 적용시키는 다양한 논문들이 발표되었다. 본 논문에서는 회전자에 노치를 적용하여 토크리플과 코깅토크를 저감할 수 있는 노치설계 방법에 대해서 제안 하고자 한다. IPM Motor 회전자 형상 5가지를 제안하고, 어떤 형상이 마그네트 토크와 릴럭턴스 토크를 가장 높게 사용할 수 있는 형상인지 분석하였다. 그리고 모터 자기회로 설계적인 요인을 기반으로 모터 회전자에 Notch를 적용하여 토크리플과 코깅 토크를 줄일 수 있는 방법을 제안하였다. 따라서 본 논문을 통해서 IPM 모터 회전자에 최적화 형상을 도출하고 진동과 소음을 줄일 수 있는 모터 설계가 가능하며, Rectangle Coil 사용으로 인해 전류밀도를 낮춰 모터 구동시 모터에 온도를 낮출 수 있다. 본 모터 설계와 제작 방법 검증을 통해 다양한 구동모터와 소,중,대형 모터를 만들 때 유리할 것으로 판단된다.
지구 온난화에 따른 환경 변화는 자동차 산업분야의 다양한 규제를 신설하기 위한 중요한 요인이 되고 있으며, 특히 친환경 자동차분야에서 전기구동 차량에 대한 수요가 급격히 증대되고 있다. 전기구동 차량에 적용되는 구동모터는 IPM형상을 갖는 모터로써 회전자 내부에 자석을 매입하는 형태의 모터를 적용하는 사례가 점차 증가하고 있다. 이는 IPM모터의 넓은 속도 토크 가변 영역과 경량, 고출력으로 에너지 효율성이 큰 장점에서 기인하고 있다. 아울러 IPM 모터의 성능에 가장 큰 영향을 주는 인자는 로터 형상이 어떤 형상을 갖느냐에 따라 특성이 전체적으로 달라지기 때문에 전기자동차 구동용으로 적합한 IPM모터 형상 선정은 전기차 구동 모터 설계에 있어 매우 중요한 기술적 인자라 할 수 있다. 그러나, 전기구동차량 IPM모터의 형상의 중요성이 날로 증가됨에도 불구하고 산별적으로 로터구조를 제안하고 있어 전기구동차량 구동 모터에 적합한 IPM모터의 로터 형상에 최대 출력인지에 대한 연구가 미흡하다. 또한 전기자동차 구동용 전기모터는 전기자동차 성능에 큰 영향을 미친다. 어떠한 구동 모터를 사용하느냐에 따라서 주행거리, 효율, 토크, 진동, 최대속도, 가속력 등이 결정되거나 다르게 분석 된다. 최근 많이 사용되는 구동용 모터는 매입형 영구자석 동기전동기가 사용된다. 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석이 회전자 내부에 매입된 구조로써 세 가지의 장점을 다음과 같이 나열해 볼 수 있다. 첫 번째로 영구자석에 의한 토크성분과 d-q축 자기저항의 차이에 의한 토크 성분을 함께 가지므로 큰 출력밀도를 확보할 수 있다는 장점을 지닌다. 또한, 그리고 매입된 영구자석의 자기적 특성이 공극과 유사하기 때문에 회전자 내부에 d-q축 인덕턴스 분포의 차이가 현저하게 나타난다. 이러한 돌극비에 비례하여 약계자 제어를 통해 광범위한 가변속 운전 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 매입형 영구자석 전동기의 특징인 높은 출력밀도, 넓은 속도 영역, 기구적 강성까지 확보하여 고출력 및 고속 운전이 가능하다는 이점을 가지고 있기 때문에 전기자동차 구동모터에 지속적으로 적용되고 있다. 마지막으로 매입형 전동기의 구조는 회전자에 자석이 삽입되어 있고 양끝에는 마그네트 배리어가 존재하여 자석으로부터 발생되는 자속의 자로에 따라 전기기기의 특성이 다르게 된다. 이러한 특성을 원하는 방향으로 설계한다면 손실, 출력, 효율, 코깅토크, 토크리플 등을 개선할 수 있다. 이와 같이 다양한 면에서 장점을 가지고 있지만 단점으로는 회전자 표면의 자속 분포가 균일하지 못하여 자로의 조건이 같지만 다른 형태의 모터에 비해 토크 리플과 코깅 토크가 높게 발생된다는 점이 있다. 토크 리플이 높으면 모터에서 진동 및 소음이 발생되어 전동기 구동 시스템에서 고장 발생의 원인된다. 또한, 계자부에 영구자석을 사용하여 전동기에서 발생하는 코깅 토크는 일반적으로 다른 전동기와는 달리 매입형 영구자석 동기전동기에서는 회전자 내부의 영구자석과 고정자의 슬롯 구조간의 자기저항 차에 의해 발생한다. 이러한 점을 보완하기 위하여 역기전력의 고조파와 관련된 토크 리플은 전동기의 소음 및 진동 발생에 영향을 주기 때문에 최대한 저감해야할 필요가 있으며, 코깅 토크 또한 전동기의 소음 및 진동 발생에 큰 영향을 미치므로 설계 단계에서 이름 최대한 저감시킬 필요가 있다. 따라서 전기자동차 구동모터 성능향상 및 신뢰성 확보를 위해 매입형 영구자석 전동기의 진동과 소음 저감을 위하여 많은 연구가 활발히 진행 되고 있다. 토크리플과 코깅 토크를 저감하기 위한 방법으로써, 배치의 조정, 슬롯 및 치의 폭 조정, 영구자석의 스큐 적용, 치에 보조구 생성, 무슬롯 전기자의 사용, 적용시키는 다양한 논문들이 발표되었다. 본 논문에서는 회전자에 노치를 적용하여 토크리플과 코깅토크를 저감할 수 있는 노치설계 방법에 대해서 제안 하고자 한다. IPM Motor 회전자 형상 5가지를 제안하고, 어떤 형상이 마그네트 토크와 릴럭턴스 토크를 가장 높게 사용할 수 있는 형상인지 분석하였다. 그리고 모터 자기회로 설계적인 요인을 기반으로 모터 회전자에 Notch를 적용하여 토크리플과 코깅 토크를 줄일 수 있는 방법을 제안하였다. 따라서 본 논문을 통해서 IPM 모터 회전자에 최적화 형상을 도출하고 진동과 소음을 줄일 수 있는 모터 설계가 가능하며, Rectangle Coil 사용으로 인해 전류밀도를 낮춰 모터 구동시 모터에 온도를 낮출 수 있다. 본 모터 설계와 제작 방법 검증을 통해 다양한 구동모터와 소,중,대형 모터를 만들 때 유리할 것으로 판단된다.
Environmental changes caused by global warming are posing a major factor for new establishment of various regulations in the automotive industry, and the demand for electric vehicles (EVs) as environmentally friendly automobiles is rising rapidly. The drive motors applied to EVs have an interior per...
Environmental changes caused by global warming are posing a major factor for new establishment of various regulations in the automotive industry, and the demand for electric vehicles (EVs) as environmentally friendly automobiles is rising rapidly. The drive motors applied to EVs have an interior permanent magnet (IPM), and applications of motors with a magnet embedded in the rotor are gradually increasing. This is due to the advantage of the IPM motors such as wide speed torque variable range, light weight, high power, and high energy efficiency. Furthermore, rotor shape is a factor that has the largest impact on the performance of the IPM motor. Since the characteristics of IPM are totally different depending on the rotor shape, the selection of an IPM motor shape suitable for EV driving is a critical technical factor in the design of an EV drive motor. However, even though the importance of the shape of IPM motor in EV is increasing, rotor structures are proposed sporadically and the research on whether the rotor shape of IPM motor is appropriate for EV drive motors and whether the rotor shape can achieve the maximum power is insufficient. Furthermore, the electric motor for driving EVs has a significant effect on the EV performance. The driving distance, efficiency, torque, vibration, maximum speed, and acceleration are determined or analyzed differently depending on which drive motor is used. The drive motor that is used frequently recently is the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). The IPMSM has a structure of which the permanent magnet is embedded in the rotor, and has the following advantages. Firstly, it can achieve a large power density because it has a torque by the permanent magnet and a torque by the difference in magnetic reluctance of the d- and q-axes together. Furthermore, since the magnetic properties of the interior permanent magnet are similar to those of air gap, salient differences in the distribution of d- and q-axes inductance inside the rotor appear. The motor can have a wide range of variable speed operation characteristics through field-weakening control in proportion to the saliency ratio. The IPMSM is used continuously in EV driver motors because it has the advantages of high power density, wide speed range, and mechanical strength, thus enabling high power and high-speed operation. Lastly, the IPMSM has a structure of which a magnet is embedded in the rotor and there are magnet barriers at both ends, resulting in different characteristics of the electric devices according to the magnetic path of the magnetic flux generated from the magnet. By designing these characteristics in the desired direction, the loss, power, efficiency, and efficiency, cogging torque, and torque ripple can be improved Although the IPMSM has many advantages, it also has disadvantages, one of which is higher torque ripple and cogging torque than other types of motors with the same condition of magnetic path due to uneven distribution of magnetic flux on the rotor surface. A high torque ripple generates vibration and noise in the motor, which can cause faults in the motor drive system. Furthermore, a cogging torque generated in the IPMSM by the use of a permanent magnet in the magnetic field section is usually caused by a difference in the magnetic reluctance between the slot structures of the permanent magnet and stator in the rotor, unlike other motors. To improve this problem, the torque ripple related to the harmonics of the back electromotive force needs to be reduced as much as possible because it can cause the noise and vibration of the motor. In addition, the cogging torque also needs to be reduced as much as possible in the design stage because it has a significant effect on the generation of noise and vibration of the motor. Therefore, in order to improve the performance and reliability of EV drive motor, many studies are actively researching on the vibration and noise reduction of the IPMSM. Various methods to reduce torque ripple and cogging torque have been published, including adjustment of placement, slot and tooth width adjustment, permanent magnet skew application, tooth aid creation, the use and application of slotless armature. This study proposes a notch design method that can reduce torque ripple and cogging torque by applying a notch to the rotor. Five rotor shapes of the IPM motor are proposed, and which of them can achieve the highest magnetic torque and reluctance torque is analyzed. Furthermore, a method of reducing torque ripple and cogging torque by applying a notch to the motor rotor based on the design factors of motor magnetic circuit is suggested. Consequently, this study enables a motor design that can derive the optimal shape of an IPM motor rotor and reduce vibration and noise, and lower the motor temperature during motor driving by reducing the current density by using a rectangle coil. The motor design and fabrication method proposed and verified in this study will be advantageous for the production of various drive motors as well as small, medium, and large motors
Environmental changes caused by global warming are posing a major factor for new establishment of various regulations in the automotive industry, and the demand for electric vehicles (EVs) as environmentally friendly automobiles is rising rapidly. The drive motors applied to EVs have an interior permanent magnet (IPM), and applications of motors with a magnet embedded in the rotor are gradually increasing. This is due to the advantage of the IPM motors such as wide speed torque variable range, light weight, high power, and high energy efficiency. Furthermore, rotor shape is a factor that has the largest impact on the performance of the IPM motor. Since the characteristics of IPM are totally different depending on the rotor shape, the selection of an IPM motor shape suitable for EV driving is a critical technical factor in the design of an EV drive motor. However, even though the importance of the shape of IPM motor in EV is increasing, rotor structures are proposed sporadically and the research on whether the rotor shape of IPM motor is appropriate for EV drive motors and whether the rotor shape can achieve the maximum power is insufficient. Furthermore, the electric motor for driving EVs has a significant effect on the EV performance. The driving distance, efficiency, torque, vibration, maximum speed, and acceleration are determined or analyzed differently depending on which drive motor is used. The drive motor that is used frequently recently is the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). The IPMSM has a structure of which the permanent magnet is embedded in the rotor, and has the following advantages. Firstly, it can achieve a large power density because it has a torque by the permanent magnet and a torque by the difference in magnetic reluctance of the d- and q-axes together. Furthermore, since the magnetic properties of the interior permanent magnet are similar to those of air gap, salient differences in the distribution of d- and q-axes inductance inside the rotor appear. The motor can have a wide range of variable speed operation characteristics through field-weakening control in proportion to the saliency ratio. The IPMSM is used continuously in EV driver motors because it has the advantages of high power density, wide speed range, and mechanical strength, thus enabling high power and high-speed operation. Lastly, the IPMSM has a structure of which a magnet is embedded in the rotor and there are magnet barriers at both ends, resulting in different characteristics of the electric devices according to the magnetic path of the magnetic flux generated from the magnet. By designing these characteristics in the desired direction, the loss, power, efficiency, and efficiency, cogging torque, and torque ripple can be improved Although the IPMSM has many advantages, it also has disadvantages, one of which is higher torque ripple and cogging torque than other types of motors with the same condition of magnetic path due to uneven distribution of magnetic flux on the rotor surface. A high torque ripple generates vibration and noise in the motor, which can cause faults in the motor drive system. Furthermore, a cogging torque generated in the IPMSM by the use of a permanent magnet in the magnetic field section is usually caused by a difference in the magnetic reluctance between the slot structures of the permanent magnet and stator in the rotor, unlike other motors. To improve this problem, the torque ripple related to the harmonics of the back electromotive force needs to be reduced as much as possible because it can cause the noise and vibration of the motor. In addition, the cogging torque also needs to be reduced as much as possible in the design stage because it has a significant effect on the generation of noise and vibration of the motor. Therefore, in order to improve the performance and reliability of EV drive motor, many studies are actively researching on the vibration and noise reduction of the IPMSM. Various methods to reduce torque ripple and cogging torque have been published, including adjustment of placement, slot and tooth width adjustment, permanent magnet skew application, tooth aid creation, the use and application of slotless armature. This study proposes a notch design method that can reduce torque ripple and cogging torque by applying a notch to the rotor. Five rotor shapes of the IPM motor are proposed, and which of them can achieve the highest magnetic torque and reluctance torque is analyzed. Furthermore, a method of reducing torque ripple and cogging torque by applying a notch to the motor rotor based on the design factors of motor magnetic circuit is suggested. Consequently, this study enables a motor design that can derive the optimal shape of an IPM motor rotor and reduce vibration and noise, and lower the motor temperature during motor driving by reducing the current density by using a rectangle coil. The motor design and fabrication method proposed and verified in this study will be advantageous for the production of various drive motors as well as small, medium, and large motors
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