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문제 정의
- IPMSM은 고출력, 고효율 전동기로서 사이즈의 제약이 큰 자동차 분야에서 많이 사용되는 핵심 구동원이며 그 중요도가 점점 더 높아지고 있다[11, 12]. 본 논문에서는 우선 차량의 요구 성능을 만족시키기 위해 차량 동특성 시뮬레이션을 수행하여 전동기의 사양을 결정한다. 결정된 사양을 만족시키기 위한 초기설계를 진행하고, 전동기 파라미터 설계를 수행한다.
- 본 논문에서는 전동기 설계에 앞에 전동기 요구사양의 타당성을 확인하기 위하여 차량 동특성 시뮬레이션을 실시하였다. 차량 부하는 크게 도로와 바퀴 사이의 마찰력에 의해 발생하는 회전부하, 속도를 가지고 진행함에 따라 공기 저항으로 받게 되는 공기항력 부하, 그리고 경사도를 가질 경우 중력에 의해 발생하게 되는 경사도 부하를 들 수 있다.
- 본 논문에서는 파라미터 맵을 이용한 5 kW급 차량용 인휠구동 시스템 전동기 설계방법을 제시하고, 설계를 진행하다. 저속에서 큰 토크와 넓은 속도 영역을 확보하기 위하여 신뢰성이 뛰어난 IPMSM으로 전동기 타입을 결정하였다.
- 결정된 사양을 만족시키기 위한 초기설계를 진행하고, 전동기 파라미터 설계를 수행한다. 요구사양을 만족하는 전동기 형상에 대해 최적설계를 수행한다. 최종모델에 대해 전동기를 제작하고 부하시험을 통하여 설계 방법의 신뢰성 확인 및 전동기 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 다음 단계에서 EMC를 사용하여 단일 코일 당 무부하역기전력을 평가하고 필요한 무부하역기전력의 값을 얻기 위해서 코일 턴 수를 결정한다. EMC 해석에서 코어의 투자율을 무한대로 가정하기 때문에 공극의 자기저항만 고려하여 선형해석을 한다. Fig.
- 회전자의 크기를 결정하기 위해 본 논문에서 일반적인 하이브리드 전기차용 견인전동기에 적용하는 TRV 값을 사용한다. TRV를 이용하여 회전자 체적을 계산하였다. 적층길이를 고려하여 최종 회전자의 외경은 155 mm로 결정하였다.
- 본 논문에서는 우선 차량의 요구 성능을 만족시키기 위해 차량 동특성 시뮬레이션을 수행하여 전동기의 사양을 결정한다. 결정된 사양을 만족시키기 위한 초기설계를 진행하고, 전동기 파라미터 설계를 수행한다. 요구사양을 만족하는 전동기 형상에 대해 최적설계를 수행한다.
- 결정된 파라미터를 만족시키기 위해 초기모델의 형상 및 치수를 변경하고, 변경된 모델에 대해 FEA를 이용하여 등가회로 특성해석을 위한 전동기 파라미터를 산정하였다. 산정된 파라미터를 이용하여 전동기 등가회로 특성해석을 수행하였다.
- EMC 해석법은 전동기 특성해석에 필요한 시간과 노력이 FEA에 비해 현저히 적다. 그러나 철심의 자기포화현상을 무시하기 때문에 해석의 정밀도는 FEA에 비해 다소 떨어지게 되므로 세부설계를 수행한다.
- 전동기 구동 시 FEA을 통하여 각 요소에서의 자속밀도 분포에 대하여 고조파 분석을 수행하여 각 고조파 성분에 따른 자속밀도를 산출한다. 그리고 각 주파수 성분별 자속밀도의 크기를 바탕으로 주파수별 철손 데이터를 이용하여 각 요소의 철손을 구한 후, 각 요소에서 구한 철손을 합하여 전동기의 전체 철손을 계산하여 전동기 특성해석에 반영하였다. 이 방법은 히스테리시스 및 와전류 손실을 포함하는 철손 데이터를 이용하므로, 각 손실 계수를 분리하여 사용하지 않는다.
- 이때의 출력과 입력전류 값을 이용하여 필요한 무부하역기전력을 대략적으로 계산할 수 있다. 다음 단계에서 EMC를 사용하여 단일 코일 당 무부하역기전력을 평가하고 필요한 무부하역기전력의 값을 얻기 위해서 코일 턴 수를 결정한다. EMC 해석에서 코어의 투자율을 무한대로 가정하기 때문에 공극의 자기저항만 고려하여 선형해석을 한다.
- 둘째, EMC를 이용하여 초기설계를 진행한다. 전동기의 초기설계 시 설계변수(극수, 슬롯 수, 공극 길이 등)에 따라 효율, 코깅토크 및 토크리플과 같은 전동기의 특성이 바뀐다.
- 무부하시험을 통해 전동기의 파라미터인 권선저항과 상무부하역기전력을 측정하였다. 또한 부하시험을 통해 최대정격 운전 및 연속정격 운전 시 토크, 출력, 효율, 전압, 전류 등의 전동기 특성을 시험하였다. Fig.
- 목적함수로는 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플을 설정하고, 설계변수로는 Fig. 10, 11에 나타낸바와 같이 챔퍼(chamfer), 극호각으로 설정하였다. 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플 저감을 위하여 챔퍼와 극호각를 변형시킨 결과 무부하역기전력 THD와 코깅토크는 챔퍼에 큰 영향을 받으며, 토크리플은 극호각에 큰 영향을 받는다.
- 설계된 전동기를 제작하여 무부하시험과 부하시험을 통해 성능평가를 수행하였다. 무부하시험을 통해 전동기의 파라미터인 권선저항과 상무부하역기전력을 측정하였다. 또한 부하시험을 통해 최대정격 운전 및 연속정격 운전 시 토크, 출력, 효율, 전압, 전류 등의 전동기 특성을 시험하였다.
- 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플 저감을 위하여 챔퍼와 극호각를 변형시킨 결과 무부하역기전력 THD와 코깅토크는 챔퍼에 큰 영향을 받으며, 토크리플은 극호각에 큰 영향을 받는다. 무부하역기 전력을 만족하면서 무부하역기전력 THD, 코깅토크 및 토크 리플이 최소가 되는 적절한 지점을 결정하였다. E-L map를 통하여 얻어진 목표 파라미터를 만족하고, 최적설계를 수행한 최종모델의 형상 및 치수는 Fig.
- 선간전압은 40~43 Vrms 범위에서 선택되었으며, 논문에는 언급되어 있지 않지만 최대 전류는 마진을 고려하여 160~170 Arms 범위에서 선택되었다. 범위 선정 후 목표 인덕턴스를 만족시키기 위한 권선 수를 결정하였다. 회전자 사이즈 내에서 일자형 영구자석은 목표 쇄교자속량을 만족시키지 못하므로 영구자석 형상은 V타입으로 결정하였다.
- 전압 제한으로 인해 권선 수 증가를 통한 쇄교자속량 확보는 제한을 받는다. 설계된 모델에 대해 FEA를 이용하여 등가회로 특성해석을 위한 전동기 파라미터를 산정하고, 산정된 파라미터를 이용하여 전동기 등가회로 특성해석을 수행하였다. 특성해석을 통하여 전동기 요구사항을 만족함을 확인한 후 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플에 대한 최적설계를 진행하였다.
- 전압 제한으로 인해 권선 수 증가를 통한 쇄교자속량 확보는 제한을 받는다. 설계된 모델에 대해 FEA를 이용하여 등가회로 특성해석을 위한 전동기 파라미터를 산정하고, 산정된 파라미터를 이용하여 전동기 등가회로 특성해석을 수행하였다. 특성해석을 통하여 전동기 요구사항을 만족함을 확인한 후 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플에 대한 최적설계를 진행하였다.
- 설계된 모델에 대해 등가회로 특성해석을 위해 전동기 파라미터를 산정하였다. 파라미터는 FEA를 이용하여 산정되었다.
- 설계된 전동기를 제작하여 무부하시험과 부하시험을 통해 성능평가를 수행하였다. 무부하시험을 통해 전동기의 파라미터인 권선저항과 상무부하역기전력을 측정하였다.
- 본 논문에서는 파라미터 맵을 이용한 5 kW급 차량용 인휠구동 시스템 전동기 설계방법을 제시하고, 설계를 진행하다. 저속에서 큰 토크와 넓은 속도 영역을 확보하기 위하여 신뢰성이 뛰어난 IPMSM으로 전동기 타입을 결정하였다.
- 전동기 구동 시 FEA을 통하여 각 요소에서의 자속밀도 분포에 대하여 고조파 분석을 수행하여 각 고조파 성분에 따른 자속밀도를 산출한다. 그리고 각 주파수 성분별 자속밀도의 크기를 바탕으로 주파수별 철손 데이터를 이용하여 각 요소의 철손을 구한 후, 각 요소에서 구한 철손을 합하여 전동기의 전체 철손을 계산하여 전동기 특성해석에 반영하였다.
- 초기 설계 모델은 낮은 입력 전류 사양으로 인해 요구사양을 만족하는 전동기 파라미터 범위는 매우 제한적이었다. 전압 및 전류사양을 만족하기 위해 각속도에서 파라미터 맵을 사용하여 무부하역기전력 및 인덕턴스를 결정하였다.
- 특성해석을 통하여 전동기 요구사항을 만족함을 확인한 후 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플에 대한 최적설계를 진행하였다. 제시한 설계 방법의 신뢰성 검증 및 제작된 전동기의 성능 확인을 위해 부하시험을 실시하였다.
- 초기 모델을 바탕으로 E-L map를 산정하였다. 선간전압은 변조율(Modulation ratio) 85 %(43.
- 3 Vrms)를 고려하였으므로 추가 마진을 고려하지 않았다. 최대 토크 운전 영역에서 포화를 고려하여 입력전류는 최대전류(170 Arms)에서 10 %~20 % 마진을 고려하였으며, 연속정격에서 입력전류가 작은 영역을 목표 파라미터로 선택하였다. Fig.
- 요구사양을 만족하는 전동기 형상에 대해 최적설계를 수행한다. 최종모델에 대해 전동기를 제작하고 부하시험을 통하여 설계 방법의 신뢰성 확인 및 전동기 성능을 평가하였다.
- 설계된 모델에 대해 FEA를 이용하여 등가회로 특성해석을 위한 전동기 파라미터를 산정하고, 산정된 파라미터를 이용하여 전동기 등가회로 특성해석을 수행하였다. 특성해석을 통하여 전동기 요구사항을 만족함을 확인한 후 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플에 대한 최적설계를 진행하였다. 최적설계에는 반응표면론법(RSM: Response Surface Method)이 적용되었다.
대상 데이터
- TRV를 이용하여 회전자 체적을 계산하였다. 적층길이를 고려하여 최종 회전자의 외경은 155 mm로 결정하였다. 기저속도에서 전동기는 최대 토크를 발생하고, 입력전류는 최대가 된다.
- 전동기의 구조는 16극 24슬롯 집중권 IPMSM이며, 최대전류에 대해 전류 밀도가 15A rms/mm2 이하가 되도록 설계하였다. 회전자의 크기를 결정하기 위해 본 논문에서 일반적인 하이브리드 전기차용 견인전동기에 적용하는 TRV 값을 사용한다.
- IPMSM은 영구자석을 회전자 철심의 내부에 삽입한 영구자석 동기전동기이다. 차량용 인휠 전동기의 설계를 위해 본 논문에서 선택한 전동기 구조는 IPMSM이다. IPMSM은 고출력, 고효율 전동기로서 사이즈의 제약이 큰 자동차 분야에서 많이 사용되는 핵심 구동원이며 그 중요도가 점점 더 높아지고 있다[11, 12].
이론/모형
- 최적설계에서는 실험계획법(Design Of Experiment, DOE)기법을 이용하여 무부하역기전력, 손실, 코깅토크 등에 대해 영향도가 높은 파라미터를 얻어낸다. 그리고 설계 변수의 변화에 따른 시스템의 응답 특성을 예측할 수 있는 반응표면법(Response Surface Method, 이하 RSM)를 이용하여 최적 설계안을 도출한다.
- 이러한 전동기 특성의 예측에는 일반적으로 유한요소 해석(Finite Element Analysis, 이하 FEA)이 사용되지만 FEA는 전처리, 해석, 후처리 과정을 필요로 하며 이러한 과정은 복잡하고 많은 시간과 노력을 필요로 한다. 전동기의 초기설계를 효율적으로 수행하기 위해 FEA에 비해 해석의 정밀도는 다소 떨어지지만, 전동기의 설계 변수에 따른 특성을 아주 짧은 시간 내에 얻을 수 있는 해석적 방법인 EMC 해석법을 초기설계에 적용한다. EMC 해석법은 전동기 특성해석에 필요한 시간과 노력이 FEA에 비해 현저히 적다.
- 특성해석을 통하여 전동기 요구사항을 만족함을 확인한 후 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플에 대한 최적설계를 진행하였다. 최적설계에는 반응표면론법(RSM: Response Surface Method)이 적용되었다.
- 이하가 되도록 설계하였다. 회전자의 크기를 결정하기 위해 본 논문에서 일반적인 하이브리드 전기차용 견인전동기에 적용하는 TRV 값을 사용한다. TRV를 이용하여 회전자 체적을 계산하였다.
성능/효과
- 10, 11에 나타낸바와 같이 챔퍼(chamfer), 극호각으로 설정하였다. 무부하역기전력 THD, 코깅토크, 토크리플 저감을 위하여 챔퍼와 극호각를 변형시킨 결과 무부하역기전력 THD와 코깅토크는 챔퍼에 큰 영향을 받으며, 토크리플은 극호각에 큰 영향을 받는다. 무부하역기 전력을 만족하면서 무부하역기전력 THD, 코깅토크 및 토크 리플이 최소가 되는 적절한 지점을 결정하였다.
- 무부하역기전력는 초기모델과 비교하여 2.2 % 감소하였지만 무부하역기전력 THD는 25.9 % 개선되었다.
- 산정된 파라미터를 이용하여 전동기 등가회로 특성해석을 수행하였다. 최종모델(최적설계모델)에 대해 전동기 특성해석을 수행한 결과 요구 출력 및 전압, 전류 제한을 모두 만족하였다.
- Table III은 제작전동기의 각 속도에 대한 부하시험 결과를 보여준다. 표에서 알 수 있듯이 850 rpm에서의 효율을 제외하고는 해석결과와 설험결과가 큰 오차를 보이지 않음을 알 수 있다. 850 rpm에서의 효율오차 원인은 추가 분석이 필요하다.
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