[논문]회전자 돌극 설계를 이용한 다극 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플 저감 연구

김기찬

doi:10.5762/kais.2014.15.10.6270

회전자 돌극 설계를 이용한 다극 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플 저감 연구
Study of the Reduction of Torque Ripples for Multi-pole Interior Permanent Magnet Synchronous Motors using Rotor Saliency 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.6270 - 6275

김기찬 (한밭대학교 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 전기자동차용 견인전동기로서의 다극 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 돌극 설계에 의한 토크리플 개선 방안을 연구하였다. 다극 매입형 영구자석 동기전동기의 경우 영구자석에서 발생되는 자속이 고정자에 쇄교되지 않고 회전자 브릿지를 통해 누설되는 자속이 크다. 이러한 누설자속을 줄여 출력밀도를 향상시키고 토크리플을 저감하기 위해 영구자석 사이의 회전자 표면에 슬릿을 적용하였다. 슬릿에 적용되는 두 설계 파라미터를 제안하고 반응표면법을 이용하여 토크리플 감소와 출력 향상 최대화 설계를 수행하였다. 자속의 포화를 고려하기 위해 본 논문에서는 2차원 유한요소법을 이용하여 특성해석을 수행하고 이를 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The paper reports an improvement method on torque ripples of multi-pole interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) applied to a traction motor for hybrid electric vehicles. In the case of multi-pole IPMSM, the magnetic flux generated by a permanent magnet tends to leak through the bridge of the rotor without a link with stator windings. The slit design on the rotor surface was proposed to reduce torque rippling and increase the output power by reducing the leakage flux. Two design parameters for the slit are suggested for optimal design using the response surface method. As an analysis method, the 2D finite element method (FEM) was applied to consider magnetic saturation effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 회전자 표면에 슬릿을 적용하여 누설자속을 효과적으로 감소시키고, 출력 및 토크 리플을 개선하는 방안을 제시한다. 슬릿의 형상과 관련된 2개의 설계 파라미터를 제시하고 반응표면법(Response-Surface Method : RSM)을 적용하여 출력 최대와 토크리플 감소에 대한 최적설계를 수행한다.

제안 방법

1과 같다. 권선법은 집중권이며, 영구 자석의 와전류손을 감소시키기 위하여 한 극의 자석에 브릿지(Bridge)를 적용하였다. IPMSM의 구성 및 세부 사항은 Table 1과 같다[4].
다극 IPMSM의 토크리플 개선을 위하여 회전자 표면에 슬릿을 적용하였다. 반응표면설계를 통하여 슬릿을 설계하고, 설계된 슬릿을 기본 모델에 적용하여 유한요소해석을 함으로써 결과값을 도출하였다.
매입형 영구자석 동기 전동기의 기본모델은 적층길이가 짧은 박형 구조이며, 12극 18슬롯의 다극 전동기로 설계를 진행하였다. 유한요소해석에 사용된 IPMSM의 모델은 Fig.
다극 IPMSM의 토크리플 개선을 위하여 회전자 표면에 슬릿을 적용하였다. 반응표면설계를 통하여 슬릿을 설계하고, 설계된 슬릿을 기본 모델에 적용하여 유한요소해석을 함으로써 결과값을 도출하였다.
슬릿에 의하여 고정자의 코일에 쇄교자속를 증가시키고 극 간 누설자속을 감소시켜 역기전력 파형을 개선시키고 출력을 증가시켰다. 슬릿 적용 시 d축, q축 인덕턴스 차이를 감소시켜 릴럭턴스 토크의 사용량이 감소되지만, 무부하 쇄교자속량이 증가되어 평균 토크가 감소되는 것을 확인하였으며, 또한 역기전력 파형을 개선시켜 토크리플을 감소시키는 것을 확인하였다.
정격 속도(@1,313rpm) 운전 시 개선 모델과 기본 모델의 비교를 위하여 각각 모델에 상전류 190A_rms, 전류 위상각 34.5도를 동일하게 인가하여 유한요소해석을 진행하였다. 개선 모델의 토크는 기본 모델에 비하여 약 4.
슬릿의 형상과 관련된 2개의 설계 파라미터를 제시하고 반응표면법(Response-Surface Method : RSM)을 적용하여 출력 최대와 토크리플 감소에 대한 최적설계를 수행한다. 철심에서의 자기포화 현상을 반영하기 위해 비선형 해석 기법인 유한요소법(Finite Element Method : FEM)을 이용하여 특성해석을 수행하고, 슬릿이 존재하지 않는 기본 모델과 슬릿이 적용된 모델의 특성을 비교 분석한다.
최대 속도(@2,000rpm) 운전 시 각각의 모델에 상전류 190A_rms, 전류 위상각 63도로 동일하게 인가하여 유한요소해석을 진행하였다. 개선 모델의 토크는 기본 모델에 비하여 약 2.

이론/모형

본 논문에서는 회전자 표면에 슬릿을 적용하여 누설자속을 효과적으로 감소시키고, 출력 및 토크 리플을 개선하는 방안을 제시한다. 슬릿의 형상과 관련된 2개의 설계 파라미터를 제시하고 반응표면법(Response-Surface Method : RSM)을 적용하여 출력 최대와 토크리플 감소에 대한 최적설계를 수행한다. 철심에서의 자기포화 현상을 반영하기 위해 비선형 해석 기법인 유한요소법(Finite Element Method : FEM)을 이용하여 특성해석을 수행하고, 슬릿이 존재하지 않는 기본 모델과 슬릿이 적용된 모델의 특성을 비교 분석한다.

성능/효과

개선 모델은 Fig. 8의 선속도에서 보는 것과 같이 기본 모델과 비교 시 슬릿에 의하여 자석 브릿지 옆의 립이 포화가 되며, 극 간 자기적 공극이 증가하여 극 간 누설자속이 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한 슬릿에 의해 고정자 측면으로 통하는 선속이 증가하며, 이는 Fig.
14Nm가 발생하였으며 토크리플은 약 6% 감소하였다. 개선 모델의 d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스의 차이는 감소하여 릴럭턴스 토크의 사용비율은 감소하였지만, 무부하 자속의 증가로 인해 마그네틱 토크가 많이 증가하였다. 또한 자속의 변화량이 개선되어 토크 리플이 감소한 것을 알 수 있다.
5도를 동일하게 인가하여 유한요소해석을 진행하였다. 개선 모델의 토크는 기본 모델에 비하여 약 4.6% 상승한 163.14Nm가 발생하였으며 토크리플은 약 6% 감소하였다. 개선 모델의 d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스의 차이는 감소하여 릴럭턴스 토크의 사용비율은 감소하였지만, 무부하 자속의 증가로 인해 마그네틱 토크가 많이 증가하였다.
9에서 보는 것과 같이 전체적인 자속밀도를 증가시키며 특히 티스 부분에서 자속밀도 증가가 많이 발생하였다. 따라서 상 역기전력 값을 26.15V_rms에서 28.55V_rms로 상승시켰으며, 기본 모델의 역기전력 파형을 더 정현적인 파형으로 개선시킬 수 있다. 역기전력 파형의 개선은 Fig.
슬릿에 의하여 고정자의 코일에 쇄교자속를 증가시키고 극 간 누설자속을 감소시켜 역기전력 파형을 개선시키고 출력을 증가시켰다. 슬릿 적용 시 d축, q축 인덕턴스 차이를 감소시켜 릴럭턴스 토크의 사용량이 감소되지만, 무부하 쇄교자속량이 증가되어 평균 토크가 감소되는 것을 확인하였으며, 또한 역기전력 파형을 개선시켜 토크리플을 감소시키는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석 동기 전동기의 장점은 무엇인가?	매입형 영구자석 동기 전동기는 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 이용하는 모터로써 출력 밀도가 높은 장점을 갖는다. 그러나 다극 전동기의 단점인 극 간 간격이 좁아 극간 누설 자속이 상대적으로 크게 발생된다.
	하이브리드 전기자동차의 동력원은 어떤 형태의 전동기가 적용되고 있는가?	따라서 차량의 취부 구조에 맞는 전동기 설계가 이루어 져야 한다. 엔진 옆에 취부되어야 하므로 큰 직경에 비해 축 방향 길이가 짧은 박형 전동기가 주로 하이브리드 전기자동차에 사용되고, 구조상 12극에서 16극 정도의 다극 전동기가 일반적으로 적용되고 있다.
	다극 매입형 영구자석 동기전동기의 단점은 무엇인가?	매입형 영구자석 동기 전동기는 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 이용하는 모터로써 출력 밀도가 높은 장점을 갖는다. 그러나 다극 전동기의 단점인 극 간 간격이 좁아 극간 누설 자속이 상대적으로 크게 발생된다. 이러한 누설 자속은 전동기의 출력을 악화시킬 뿐만 아니라, 효율 또한 감소시키는 원인이 된다. 따라서 다극 매입형 영구자석 동기전동기의 누설 자속을 최대한 감소시키면서 성능 향상을 가져올 수 있는 최적 설계가 요구된다[1-3].

참고문헌 (5)

K. Wang, Z. Q. Zhu and G. Ombach, "Average Torque Improvement of Interior Permanent-Magnet Machine Using Third Harmonic in Rotor Shape" IEEE Trans. Industrial Electronics, vol.61, no. 9, pp. 5047-5057, Sep. 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2013.2286085

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K. Yamazaki and H. Ishigami, "Rotor-Shape Optimization of Interior-Permanent-Magnet Motors to Reduce Harmonic Iron Loses" IEEE Trans. Industrial Electronics, vol.57, no. 1, pp. 61-69, Jan. 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2009.2025285

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S.-K. Lee, G.-H. Kang, J. Hur, and B.-W. Kim, "Stator and Rotor Shape Designs of Interior Permanent Magnet Type Brushless DC Motor for Reducing Torque Fluctuation" IEEE Trans. Magn., vol.48, no. 11, pp. 4662-4665, Nov. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2012.2201455

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K. Yamazaki, Y. Fukushima and M. Sato, "Loss Analysis of Permanent-Magnet Motors With Concentrated Windings-Variation of Magnet Eddy-Current Loss Due to Stator and Rotor Shapes" IEEE Trans. Industry Applications, vol.45, no. 4, pp. 1334-1342, Jul/Aug. 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2009.2023393

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Z. Azar, Z. Q. Zhu, and G. Ombach "Influence of Electric Loading and Magnetic Saturation on Cogging Torque, Back-EMF and Torque Ripple of PM Machines" IEEE Trans. Magn., vol. 48, no. 10, pp. 2650-2658, Oct. 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2012.2201493

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