[논문]EPS용 표면부착형 영구자석 동기전동기의 토크 리플 저감

임승빈; 박현종; 강동우; 함상환; 이주

doi:10.5207/jieie.2010.24.8.027

EPS용 표면부착형 영구자석 동기전동기의 토크 리플 저감
Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor Design for Torque Ripple Reduction in EPS 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.8, 2010년, pp.27 - 31

임승빈 (한국에너지기술평가원) , 박현종 (한양대 대학원 전기공학과) , 강동우 (한양대 대학원 전기공학과) , 함상환 (한양대 대학원 전기공학과) , 이주 (한양대학교 전기생체공학부)

초록
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EPS(Elctrical Power Steering)에서 전동기의 토크 리플은 조향장치의 진동 문제를 야기한다. 따라서 EPS에서 전동기의 토크 리플 저감은 중요한 문제이며, 본 논문에서는 EPS에서 사용하는 표면부착형 영구자석 동기전동기의 토크 리플 저감에 대해 논하였다. 유한요소법을 이용하여 영구자석과 고정자 슈의 형상 변화를 통해 역기전력을 분석하였으며 이를 바탕으로 토크 리플 저감 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Torque ripple of the motor used in EPS raises vibration problem on steering system. To solve this problem, this paper proposes a optimum design for torque ripple reduction of Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor(SPMSM) in EPS. Through analyis back-EMF using Finite element method as cha...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

조향장치의 진동문제는 운전자에게 큰 피로감을 안기고 자칫 큰 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 조향장치의 신뢰성 및 안정도 증대를 위해 EPS에 사용할 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 토크 리플 저감 방법을 제시하였다.
본 논문에서는 미리 설계된 EPS용 SPM 전동기의 회전자 영구자석과 고정자 슈의 형상을 변화시키면서 토크 리플을 저감하는 방법을 제시하였다.
토크 리플을 줄이는 방법에는 슬롯 개구폭 감소, 공극 증가, 영구자석이나 슈의 형상 변화, 고정자나 영구자석에 skew를 주는 방법 등 전동기의 형상을 바꾸는 방법이나 전류 제어를 통한 방법 등이 있다[2]. 본 논문에서는 이미 설계된 전동기에서 크게 형상을 바꾸지 않는 범위에서 정격과 목표조건을 만족시키기 위해 영구자석과 슈의 형상을 바꾸는 방법을 택하였다.

제안 방법

3가지 파라미터에 대해서 역기전력 파형을 분석하여 최적모델을 찾았고, 최적모델에서 목표하고자 했던 토크 리플 저감을 확인하였다.
먼저 영구자석 크기의 최적점을 찾기 위해 영구자석의 극호각 θ를 바꿔가며 역기전력 파형을 얻어냈다.
그림 5-1과 그림 5-2에 따라서 슈를 많이 깎을수록 역기전력의 THD와 기본파성분의 크기가 줄어든다는 것을 확인 할 수 있다. 토크리플의 최소화를 위해서 역기전력의 THD가 가장 작은 0.5[mm]를 슈 형상의 최적점을 선택하였다.

데이터처리

설계한 최적모델에 대해 해석을 시행하여 역기전력과 토크를 기본모델과 비교 및 분석하였다.

이론/모형

최적 모델를 위해 그림 2의 영구자석과 슈의 형상을 설계변수로 선정하여 이에 대한 유한요소법을 시행한다. 해석결과 중 역기전력의 전고조파왜율(THD)과 기본파 성분을 분석하여 최적모델을 찾는다.

성능/효과

앞선 결과를 종합하여 역기전력을 가장 정현적으로 얻을 수 있는 모델을 분석한 결과 최적모델로 θ: 155[°], x1: 0.4[mm], x2: 0.5[mm] 를 선정하였다.
표 2, 3을 보면 기본모델에 비해 최적모델의 역기전력이 정현적으로 바뀌었으며 또한 토크 리플 역시 감소하였음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPS는 어떠한 장점을 가지는가?	그러나 최근에는 경차 및 소형차를 중심으로 전동기를 이용한 EPS(Electrical Power Steering)의 적용이 확산되어져 가는 추세이다. EPS는 유압을 사용하지 않기 때문에 연비 향상, 시스템의 단순화, 차량제작 비용의 절감 등 여러 가지 장점을 가진다[1].
	토크 리플을 줄이는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?	토크 리플을 줄이는 방법에는 슬롯 개구폭 감소, 공극 증가, 영구자석이나 슈의 형상 변화, 고정자나 영구 자석에 skew를 주는 방법 등 전동기의 형상을 바꾸는 방법이나 전류 제어를 통한 방법 등이 있다[2]. 본 논문에서는 이미 설계된 전동기에서 크게 형상을 바꾸지 않는 범위에서 정격과 목표조건을 만족시키기 위해 영구자석과 슈의 형상을 바꾸는 방법을 택하였다.
	EPS용 전동기 설계에 있어 조향장치의 진동문제는 어떠한 문제를 일으킬 수 있는가?	EPS용 전동기 설계에 있어 중요한 사항으로 진동문제를 고려하지 않을 수 없다. 조향장치의 진동문제는 운전자에게 큰 피로감을 안기고 자칫 큰 사고로 이어 질 수 있기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 조향장치의 신뢰성 및 안정도 증대를 위해 EPS에 사용할 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 토크 리플 저감 방법을 제시하였다.

참고문헌 (8)

“자동차용 모터(Electric motors) 시장과 기술동향”, A&D 컨설턴트.
J.R.Hendershot Jr and TJE Miller, “Design of Brushless Permanent-Magnet Motors”, 1994.
Shih-Chin Yang, Yee-Pien Yang and Jieng-Jang Liu, Design and Control Optimization of Surface-Mounted Permanent-Magnet Machines with High Torque and Low Ripples, The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Taipei, Taiwan, pp 198-203, 2007.
Nicola Bianchi and Silverio Bolognani, Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors, Industry Applications Conference, vol. 1, pp 179-185, 2000.
Surong Huang, Aydin, M. and Lipo, T.A., Torque Quality Assessment and Sizing Optimization for Surface Mounted Permanent Magnet Machines, Industry Applications Conference, vol. 3, pp 1603-1610, 2001.
Islam, R., Husain, I., Fardoun, A. and McLaughlin, K., Permanent-Magnet Synchronous Motor Magnet Designs With Skewing for Torque Ripple and Cogging Torque Reduction, vol. 45, pp 152-160, 2009.

상세보기
Li Zhu, Jiang, S.Z., Zhu, Z.Q. and Chan, C.C., Comparison of Alternate Analytical Models for Predicting Cogging Torque in Surface-Mounted Permanent Magnet Machines, Vehicle Power and Propulsion Conference, pp 1-6, 2008.
Jin Hur, Characteristic Analysis of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor in Electrohydraulic Power Steering Systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, No. 6, pp 2316-2323, 2008.

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