[논문]차세대 전동차용 직접 구동용 매입형 영구자석 동기전동기의 특성 고찰

김민석; 박지성; 김대광; 김정철; 정상용

차세대 전동차용 직접 구동용 매입형 영구자석 동기전동기의 특성 고찰
Investigation on Direct Driven IPMSM for Next Generation Locomotive 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.11 no.4 = no.47, 2008년, pp.398 - 403

김민석 (동아대학교, 전기공학과) , 박지성 (동아대학교, 전기공학과) , 김대광 ((주)현대로템 기술연구소) , 김정철 ((주)현대로템 기술연구소) , 정상용 (동아대학교, 전기공학과)

초록
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전동차용 견인전동기 시스템은 저항 및 쵸퍼 제어에 의한 직류 전동기 방식에서 인버터 제어에 의한 유도전동기 방식으로 발전하였다. 오늘날 유도전동기 기술은 어느 정도 성숙기에 접어들었지만 최근에는 소음제거, 효율 극대화 및 유지보수 비용 절감 등의 이점이 있는 감속기를 제거한 직접 구동용 영구자석 전동기가 새로이 각광받고 있다. 특히 기계적으로 견고한 매입형 영구자석 동기전동기는 출력/토크 밀도가 높고 약계자 제어성이 우수하며 고효율 운전이 가능하다. 본 논문은 자기적 포화특성이 심한 영구자석 전동기를 대상으로 고급화된 비선형 수치해석 기법을 적용하여 설계된 전동기의 특성해석을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

The propulsion for locomotive application has changed from the DC motor system to the induction motor system. Although the induction motor system has almost reached the stage of maturity, this system also needs to be changed to the PM motor system for the direct drive without using reduction gear. Thus, the IPMSM (Interior buried Permanent Magnet Synchronous Motor) has been adopted to meet the locomotive driving specification. Where the wheel is directly dirven by the traction motor. In this paper, the investigation on IPMSM satisfying driving specifications for the direct drive has been performed using the advanced FEM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 차세대 전동차에 장착되는 매입형 영구자석 전동기를 대상으로 특성해석 및 설계기술을 나타내며 국내 차세대 전동차에 적합한 견인 전동기를 개발할 수 있는 요소 기술을 마련하기 위한 것이다[3-5].
아울러 차세대 주전동기로 소형, 경량화가 유리하면서도 효율이 높은 전폐형 영구자석 동기전동기가 주목 받고 있다. 본 논문은 차세대 전동차에 장착되는 직접 구동용 영구자석 전동기를 대상으로 전동기의 특성해석 및 설계기술을 나타내었다. 특히, 차세대 전동차용 직접 구동용 견인전동기에 대해 실험적으로 추출가능하고 자석이 매입된 형태로 국부적인 포화가 심한 견인전동기의 d, q축 사이에 교차자화작용 또한 고려할 수 있는 통합적인 쇄교자속을 추출하여 견인전동기의 운전특성 및 설계기술을 나타내었다.

제안 방법

다음으로 차세대 전동차용 직접 구동용 견인전동기에 대한 입력조건별(id, iq) 파라미터(제어정수)를 추출하였다. 일반적인 전동기의 등가회로는 상저항(R), 역기전력상수, d, q축 인덕턴스 등의 집중형 파라미터(Lumped Parameter)로 구성되며, 이러한 파라미터는 입력조건, 운전조건, 운전환경에 따라 일정한 값을 지닌다.
8의 (a)와 (b)의 자속분포에서 볼 수 있듯이 국부적인 자기포화가 심하여 영구자석과 d, q축 전류 간의 교차자화작용이 두드러져 기존의 선형적인 방법으로 접근하기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 부하조건 동작점(Operating Point)에서의 투자율을 고정하는 수치해석기법을 적용하여 정밀하고 체계적인 설계를 수행하였다. Fig.
또한 견인전동기의 설계결과로 출력특성 및 역기전력, 코깅토크등을 검토하고 IPMSM의 벡터제어에서 고려하지 않았던 Lqd, Ldq, λmq 등을 고려하였으며 원활한 벡터제어를 수행하기 위해서 상호 독립적인 관계를 가지는 d, q축 전류(Lqqiq, Lqqid, Lddid, Ldqiq)와 영구자석(λmd, λmq)의 여자에 의해 교차자화된 쇄교자속들을 추출할 수 있는 수치해석적기법으로 전동기 파라미터를 추출하였다.
앞서 언급한 가변속 운전특성을 바탕으로 전류와 자석을 모두 여자하여 통합적인 d축과 q축의 쇄교자속을 추출하여 입력조건별로 성능사양에 부합하는지 판단하여 포괄적인 개념설계를 수행하고 세부적으로 사이즈를 최소화하는 방향으로 고조파 및 토크 맥동을 저감할 수 있는 상세 설계를 수행하였다. 다양한 부하조건에 대응하는 차세대 전동차용 직접 구동용 견인전동기를 여러 가지 d, q축 전류조합(θ=90º~180º, i_d=I_maxcosθ, i_q=I_maxsinθ)별로 추출된 순시, 연속 출력특성을 각각 Fig.
따라서 전류를 인가하지 않은 상태에서 회전자를 회전시키면서 맥스웰 스트레스 텐서법을 적용하여 특성을 살펴보았다. 위의 방법은 텐서라인 설정에 민감함으로 공극중심에 10개 정도의 텐서라인을 설정하여 계산된 토크의 평균값으로 코깅토크를 추출하였다. Fig.
일반적으로 정토크 영역에서는 최대토크제어를 통해서 높은 기동토크를 얻고 정출력 영역에서는 전류 위상각 제어를 통해서 운전 속도 범위를 확장할 수 있다. 차세대 전동차의 직접 구동용 설계에서는 정토크 영역의 최대토크 제어특성을 해석하고 정출력 영역의 전압제한을 고려하여 약계자 제어특성을 해석하여 출력특성을 살펴보았다.
본 논문은 차세대 전동차에 장착되는 직접 구동용 영구자석 전동기를 대상으로 전동기의 특성해석 및 설계기술을 나타내었다. 특히, 차세대 전동차용 직접 구동용 견인전동기에 대해 실험적으로 추출가능하고 자석이 매입된 형태로 국부적인 포화가 심한 견인전동기의 d, q축 사이에 교차자화작용 또한 고려할 수 있는 통합적인 쇄교자속을 추출하여 견인전동기의 운전특성 및 설계기술을 나타내었다. 또한 견인전동기의 설계결과로 출력특성 및 역기전력, 코깅토크등을 검토하고 IPMSM의 벡터제어에서 고려하지 않았던 L_qd, L_dq, λ_mq등을 고려하였으며 원활한 벡터제어를 수행하기 위해서 상호 독립적인 관계를 가지는 d, q축 전류(L_qqi_q, L_qqi_d, L_ddi_d, L_dqi_q)와 영구자석(λ_md, λ_mq)의 여자에 의해 교차자화된 쇄교자속들을 추출할 수 있는 수치해석적기법으로 전동기 파라미터를 추출하였다.

이론/모형

식 (1)은 d, q축 쇄교자속으로 표현한 토크방정식으로 코깅성분은 포함하지 않는다. 따라서 전류를 인가하지 않은 상태에서 회전자를 회전시키면서 맥스웰 스트레스 텐서법을 적용하여 특성을 살펴보았다. 위의 방법은 텐서라인 설정에 민감함으로 공극중심에 10개 정도의 텐서라인을 설정하여 계산된 토크의 평균값으로 코깅토크를 추출하였다.

성능/효과

또한 견인전동기의 설계결과로 출력특성 및 역기전력, 코깅토크등을 검토하고 IPMSM의 벡터제어에서 고려하지 않았던 L_qd, L_dq, λ_mq등을 고려하였으며 원활한 벡터제어를 수행하기 위해서 상호 독립적인 관계를 가지는 d, q축 전류(L_qqi_q, L_qqi_d, L_ddi_d, L_dqi_q)와 영구자석(λ_md, λ_mq)의 여자에 의해 교차자화된 쇄교자속들을 추출할 수 있는 수치해석적기법으로 전동기 파라미터를 추출하였다. 결론적으로 차세대 전동차용 직접 구동용 견인전동기에 대한 수치해석적인 특성해석을 바탕으로 성능사양을 만족하는 설계안을 도출하였다.
한편, 철손해석은 회전자를 한주기 동안 회전시키면서 모든 요소별 자속밀도의 변화량을 주파수 분석하여 주파수별 자속밀도의 크기를 추출하여 철손을 계산할 수 있다. 철손은 견인전동기 성능사양의 최대출력에서 1,021W, 연속출력에서 731W로 직접 구동용은 최대속도가 높지 않아 영구자석에 미치는 열적인 감자의 우려가 덜하였다. 철손은 자속의 변화량에 비례하여 나타나므로 Fig.
저속 고토크의 DDM방식은 감속기형에 비해 속도영역이 넓지 않지만 약계자제어가 불가피함을 알 수 있다. 한편 자석에 의한 토크만 존재하여 최대토크를 발생하는 전류 위상각이 항상 90도인 SPMSM의 경우와 달리 IPMSM의 토크 성분은 자석에 의한 토크와 자기저항 차에 의한 토크의 합으로 나타나므로 초기 최대 토크 전류 위상각이 순시정격일 경우 135도임을 확인할 수 있다. 아울러 출력특성은 표 2에 제시한 견인전동기 성능사양을 순시, 연속정격에서 충분히 만족하고 있다.

후속연구

이와 같이 직접 구동용 견인전동기가 자기적인 포화영역에서 운전하더라도 IPMSM의 회로정수들을 영구자석과 전 기자전류 그리고 d, q축 간의 독립성을 유지하면서 선형적인 형태로 추출할 수 있으며, 이로 인해 자계 포화특성이 현저한 직접 구동용 IPMSM의 모델링 및 특성해석이 효과적으로 수행될 수 있다. 또한 기존의 벡터제어 로직을 적용하면서 정밀도 높은 직접 구동용 IPMSM의 운전제어가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동차 구동용 견인시스템은 무엇에 의해 획기적인 발전을 이루었는가?	전동차 구동용 견인시스템은 전력전자와 제어기술의 발달로 저항 및 쵸퍼제어에 의한 직류전동기 방식에서 인버터 제어에 의한 유도전동기 제어방식으로 획기적인 발전을 이루었다. 이러한 발전은 기술적 완성 단계에 들어서면서, 기존 시스템에서 보다 개선된 방향을 기대하기가 어렵지만 전력전자 기술의 급속한 발전으로 고속 스위칭이 가능한 IGBT 가 상용화되면서, 철도차량용 직접 구동용 동기전동기의 개별제어가 가능하게 되었다[1, 2].
	동기전동기 중에서도 차세대 주전동기로 주목 받는 것은 무엇인가?	이러한 발전은 기술적 완성 단계에 들어서면서, 기존 시스템에서 보다 개선된 방향을 기대하기가 어렵지만 전력전자 기술의 급속한 발전으로 고속 스위칭이 가능한 IGBT 가 상용화되면서, 철도차량용 직접 구동용 동기전동기의 개별제어가 가능하게 되었다[1, 2]. 동기전동기 중에서도 차세대 주전동기로 주목 받는 것은 소형, 경량화가 유리하면서도 효율이 높은 전폐형 영구자석 동기전동기이다. 직접 구동용 영구자석 전동기는 간접 구동용 유도전동기에 비해 소형, 경량화 및 유지보수 비용절감 등의 이점이 있다.
	전동차시스템의 운전특성을 고려하여 구조적 강건성, 높은 출력 및 토크밀도, 넓은 운전 속도영역, 우수한 내환경성(내진, 내열, 내부식 등), 고효율 운전 제어성 등의 다양한 성능사양을 만족하는 고급형 전동기는 무엇인가?	전동차 구동용 전동기는 전동차시스템의 운전특성을 고려하여 구조적 강건성, 높은 출력 및 토크밀도, 넓은 운전 속도영역, 우수한 내환경성(내진, 내열, 내부식 등), 고효율 운전 제어성 등의 다양한 성능사양을 만족해야 한다. 이와 같은 특징에 부합할 수 있는 고급형 전동기로는 고에너지 희토류계 영구자석(Rare-Earth Permanent Magnet)을 사용하는 영구자석 전동기로, 그 중에서 특히 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)는 영구자석이 회전자에 매입되어 있어 구조적으로 안정성이 크며, 자기적 돌극성(Magnetic Saliency)이 좋아 넓은 속도영역 운전을 위한 약계자제어성(Field-Weakening Controllability)과 출력/토크 밀도가 우수하여 고효율 운전이 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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