[논문]경량전철 추진용 영구자석 동기전동기의 고정자 철손 저감 연구

박찬배; 이형우; 이병송

doi:10.7782/jksr.2012.15.4.376

초록
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IPMSM의 구동 중에 발생되는 철손은 코어 재료 특성에 의해 크게 좌우되며, 일반적으로 회전형 전동기에서는 모든 자속의 흐름 방향으로 자기적 특성이 동일한 무방향성 전기강판이 코어 재료로 사용된다. 무방향성 전기강판과 비교하여 방향성 전기강판은 자속의 흐름 방향으로의 자기적 특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 저감시키기 위하여 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 기존의 110kW급 IPMSM과 비교하여 거의 40% 정도의 철손 저감 효과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on the iron-loss reduction of 110kW-class Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for Light Railway Transit (LRT) is conducted. In general, the iron loss of IPMSM depends on the characteristics of core material and non-oriented electrical steel is used as a core material of IPMSM...

A study on the iron-loss reduction of 110kW-class Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for Light Railway Transit (LRT) is conducted. In general, the iron loss of IPMSM depends on the characteristics of core material and non-oriented electrical steel is used as a core material of IPMSM. In order to reduce the iron-loss of IPMSM, both non-oriented electrical steel and grain oriented electrical steel are applied as core material. Iron loss of 110kW-class IPMSM can be reduced approximately 40% comparing to an existing IPMSM by applying grain oriented electrical steel to the stator teeth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 경량전철 추진시스템에 IPMSM을 적용시키기 위하여 110kW급 고출력밀도 집중권 IPMSM을 설계하였으며, IPMSM 기본 모델의 FEM 분석을 통하여 발생 철손이 저속 회전영역에서는 고정자 전체에서 고르게 나타나지만, 고속 회전영역에서는 고정자의 티스와 슈가 만나는 부분에서 주로 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 고속회전영역에서의 철손을 저감시키기 위하여 고정자 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. 결론적으로 IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 철손은 40.
무방향성 전기강판과 비교하여 방향성 전기강판은 자속의 흐름 방향으로의 자기적 특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 저감시키기 위하여 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 기존의 110kW급 IPMSM과의 다양한 특성 비교를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 줄이기 위하여, 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 IPMSM의 고정자 코어 재료로써 동시에 적용하는 방법을 제안한다. Fig.
본 논문에서는 경량전철 추진시스템에 IPMSM을 적용시키기 위하여 110kW급 고출력밀도 집중권 IPMSM을 설계하였으며, IPMSM 기본 모델의 FEM 분석을 통하여 발생 철손이 저속 회전영역에서는 고정자 전체에서 고르게 나타나지만, 고속 회전영역에서는 고정자의 티스와 슈가 만나는 부분에서 주로 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 고속회전영역에서의 철손을 저감시키기 위하여 고정자 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다.
본 연구에서는 경량전철 추진시스템에 IPMSM을 적용시키기 위하여 110kW급 고출력밀도 집중권 IPMSM을 설계하였다[7]. Fig.
그러나 고속 회전영역에서는 철손이 고정자의 티스와 슈가 만나는 부분에서 주로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 IPMSM의 고정자 코어 재질로써 고정자 요크 부분은 기존의 무방향성 전기강판을 사용하고, 고정자 티스 부분에 방향성 전기강판을 적용하는 것을 본 논문에서 제안하였다. 방향성 전기강판은 자속의 흐름 방향으로 손실 특성이 우수하기 때문에 IPMSM의 고정자 코어 티스 부분에 적용하면 고속 회전영역에서의 고정자 티스부분에서 주로 발생되었던 철손 저감에 유리할 것이다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 저감시키기 위하여 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 기존의 110kW급 IPMSM과의 다양한 특성 비교를 수행하였다.

대상 데이터

설계된 IPMSM은 3상 6극 9슬롯을 가지며, 정격속도와 최고속도가 각각 2400rpm, 6000rpm이다. IPMSM 고정자의 외경은 316mm, 회전자 외경은 180mm, 적층높이는 280mm 이며, 영구자석은 Nd계를 사용하였다. IPMSM의 구동 중에 발생되는 철손은 코어 재료 특성에 의해 크게 좌우되며, 일반적으로 회전형 전동기에서는 모든 자속의 흐름 방향으로 자기적 특성이 동일한 무방향성 전기강판이 코어 재료로 사용된다.
본 연구에서 제안된 방법에 의한 IPMSM의 철손 저감 효과는 FEM을 이용한 수치해석적 방법에 의해 검증되었다. Table 3에서 정리한 방향성 전기강판(27PH095)과 무방향성 전기강판(35PN230)의 120Hz(2400rpm)와 300Hz(6000rpm)에서의 손실 데이터를 FEM 해석 모델에 적용하였다. Fig.
본 논문에서 기 설계된 110kW급 IPMSM의 기본 특성 몇 가지를 선행 분석하였다. 기존 IPMSM의 고정자와 회전자 코어에는 무방향성 전기강판(35PN230, 두께 0.35mm)을 사용하였다. Table 2는 기존 IPMSM의 2400rpm과 6000rpm에 서의 주요 특성을 보여준다.
본 논문에서 기 설계된 110kW급 IPMSM의 기본 특성 몇 가지를 선행 분석하였다. 기존 IPMSM의 고정자와 회전자 코어에는 무방향성 전기강판(35PN230, 두께 0.
Table 1은 110kW급 고출력밀도 IPMSM의 설계 사양을 보여준다. 설계된 IPMSM은 3상 6극 9슬롯을 가지며, 정격속도와 최고속도가 각각 2400rpm, 6000rpm이다. IPMSM 고정자의 외경은 316mm, 회전자 외경은 180mm, 적층높이는 280mm 이며, 영구자석은 Nd계를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서 제안된 방법에 의한 IPMSM의 철손 저감 효과는 FEM을 이용한 수치해석적 방법에 의해 검증되었다. Table 3에서 정리한 방향성 전기강판(27PH095)과 무방향성 전기강판(35PN230)의 120Hz(2400rpm)와 300Hz(6000rpm)에서의 손실 데이터를 FEM 해석 모델에 적용하였다.

성능/효과

9는 제안된 방법에 의한 IPMSM의 철손과 효율 특성 개선량을 보여준다. Fig. 9에서 보는 바와 같이, IPMSM의 고정자 티스에 방향성 전기강판을 적용할 경우에 철손은 40.3% 감소가 가능하며, 효율은 0.71% 증가가 가능함이 검증되었다. 집중권을 가진 IPMSM의 주요 손실은 동손, 철손, 영구자석 와전류손으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서는 110kW급 IPMSM의 고정자 티스에 방향성 전기강판을 적용함으로써 기존 IPMSM 대비 약 40% 정도 철손 저감이 가능함을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 IPMSM의 고속회전영역에서의 철손을 저감시키기 위하여 고정자 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. 결론적으로 IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 철손은 40.3% 감소, 효율은 0.71% 증가시킬 수 있었으며, 제안된 방법을 통하여 고속 운전 시 철손 특성이 개선된 고속용 IPMSM을 제작하는데 도움이 될 것으로 보인다
)차 항을 제외하고 저차수의 고조파가 크게 감소되었다. 본 연구에서 6*n(n=1,2,3,...)차 항은 회전자의 형상, 즉 회전자의 영구자석 극수와 관계된 항이며, 고정자 코어의 재료에 의해 크게 영향을 받지 않는 부분이므로 저속 회전영역에서 6*n(n=1,2,3,...)차 항의 감소 영향이 적었다. 하지만 6000rpm의 고속 회전영역에서는 6*n(n=1,2,3,.
71% 증가가 가능함이 검증되었다. 집중권을 가진 IPMSM의 주요 손실은 동손, 철손, 영구자석 와전류손으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서는 110kW급 IPMSM의 고정자 티스에 방향성 전기강판을 적용함으로써 기존 IPMSM 대비 약 40% 정도 철손 저감이 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석동기전동기의 이점은 무엇인가?	일반적으로 매입형 영구자석동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 높은 효율과 약계자 제어를 통한 넓은 속도 가변 영역 특성을 갖는다[1,2]. 이러한 이유로, 최근 IPMSM은 컴프레셔, 스핀들, 전기자동차용 전동기 뿐만 아니라, 철도차량 추진용 전동기 영역으로까지 응용범위가 확대되고 있다.
	IPMSM의 응용범위는 어떤 추세인가?	일반적으로 매입형 영구자석동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 높은 효율과 약계자 제어를 통한 넓은 속도 가변 영역 특성을 갖는다[1,2]. 이러한 이유로, 최근 IPMSM은 컴프레셔, 스핀들, 전기자동차용 전동기 뿐만 아니라, 철도차량 추진용 전동기 영역으로까지 응용범위가 확대되고 있다. IPMSM의 회전자는 영구자석이 회전자 내부에 삽입되는 구조를 갖는다.
	철손의 주원인은 어떻게 발생되는가?	IPMSM 내부에서 발생된 자속은 철손의 주원인인 고조파 성분을 많이 포함하고 있다. 특히 약계자 제어에 의한 고속 회전영역에서 고조파 성분을 포함하고 있는 영구자석에 의한 자기력은 고정자에서의 큰 고조파 철손의 원인이 된다[3,4-6]. 따라서 IPMSM의 고속 운전 하에서 철손을 줄이기 위하여 고정자에서의 철손을 줄이는 노력은 반드시 필요하다.

참고문헌 (8)

K. Yamazaki, H. Ishigami (2010) Rotor-Shape Optimization of Interior Permanent-Magnet Motors to Reduce Harmonic Iron Losses, IEEE Trans. Ind. Elec., 57(1), pp. 61-69.

상세보기
S.J. Kim, H.W. Lee, K.S. Kim, J.N Bae, J.B. Im, C.J. Kim, J. Lee (2009) Torque Ripple Improvement for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Considering Parameters with Magnetic Saturation, IEEE Trans. Magn., 45(10), pp. 4720-4723.

상세보기
M. Nakano, K. Ishiyama, K.I. Arai, H. Fukunaga (1997) Reduction of iron loss in thin grain-oriented silicon steel sheets, IEEE Trans. Magn., 33(5), pp. 3754-3756.

상세보기
Z. Azar, L.J. Wu, D. Evans, Z.Q. Zhu (2010) Influence of rotor configuration on iron and magnet losses of fractional-slot IPM machines, 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives(PEMD2010), pp. 1-5.
Katsumi Yamazaki, Yu Fukushima and Makoto Sato (2009) Loss Analysis of Permanent-Magnet Motors With Concentrated Windings-Variation of Magnet Eddy-Current Loss Due to Stator and Rotor Shapes, IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 45, pp. 1334-1342.

상세보기
F. Gillon and P. Brochet (1999) Shape optimization of a permanent magnet motor using the Experimental design method, IEEE Trans. On Magnetics, Vol. 35, pp. 1278-1281.

상세보기
H.W. Lee, C.B. Park, B.S. Lee (2012) Core-loss Reduction on Permanent Magnet for IPMSM with Concentrated Winding, Journal of the Korean Society for Railway, 15(2), pp. 135-140.

원문보기 상세보기
Y. Matsuo, T. Higuchi, T. Abe (2011) Characteristics of a novel segment type switched reluctance motor using grain-oriented electric steel, 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS), pp. 1-4.

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