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문제 정의
- 본 논문에서는 동일 성능을 갖는 SPMSM과 IPMSM을 비교 분석하였다. 각각 동일한 제한조건 및 요구조건 하에 3종류의 극 /슬롯 조합을 갖는 6가지의 모델을 결정하고, 2차원 유한요소해석법을 기반으로 하여 영구자석의 설계변수 변경을 통해 코깅토크, 토크리플, 무부하 역기전력의 THD, 전자기 손실 등을 비교하여 해당 요구 조건에 가장 적합한 모델을 선정 후 제작하였다.
- 본 논문은 SPMSM / IPMSM의 비교 분석에 대해 다루고자 한다. 먼저, 4극 15슬롯, 6극 27슬롯, 8극 30슬롯의 3가지 극/슬롯 조합에 대해 SPMSM과 IPMSM에 대한 6 모델의 특성해석을 각각 진행하였다.
가설 설정
- 이는 토크리플의 성분 중 고정자의 치-슬롯 구조, 즉 자기저항의 차이에 의해 생성되는 코깅토크가 지배적이기 때문으로 예상된다. 일반적으로 토크리플은 역기전력과 전류의 고조파 성분, 코깅토크, 릴럭턴스 토크리플 등으로 이루어져 있는데, 본 논문에서는 정현파 전류 구동 조건을 가정하였으므로 전류 고조파에 의한 토크리플은 없다고 가정할 수 있고, 따라서 토크리플의 성분은 SPMSM의 경우 역기전력의 고조파 성분과 고정자의 치-슬롯 구조에 따른 자기저항 변화에 의해 발생하는 코깅토크의 합으로, IPMSM의 경우 역기전력의 고조파 성분과 코깅토크, 그리고 회전자의 돌극 구조에 의한 릴럭턴스 토크의 합으로 이루어졌다고 할 수 있다[12].
제안 방법
- 제작된 모델의 무부하 역기전력, 코깅토크 등의 측정을 통해 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하고 부하뱅크를 이용한 back-to-back 실험을 통해 전동기의 운전특성과 효율을 계측하였다. IPMSM의 경우 전자기 성능만 비교하였을 때 8극 30슬롯 모델이 가장 우수하였지만, 동일한 극/슬롯 조합을 갖는 두 가지 모델의 정량적 비교를 위해 SPMSM과 동일한 6극 27슬롯 모델을 제작하였다. 무부하 역기전력의 THD를 제외한 코깅토크, 자석사용량, 효율 실험에서 SPMSM보다 IPMSM이 더 우수한 성능을 갖는다.
- 본 논문에서는 동일 성능을 갖는 SPMSM과 IPMSM을 비교 분석하였다. 각각 동일한 제한조건 및 요구조건 하에 3종류의 극 /슬롯 조합을 갖는 6가지의 모델을 결정하고, 2차원 유한요소해석법을 기반으로 하여 영구자석의 설계변수 변경을 통해 코깅토크, 토크리플, 무부하 역기전력의 THD, 전자기 손실 등을 비교하여 해당 요구 조건에 가장 적합한 모델을 선정 후 제작하였다. 제작된 모델의 무부하 역기전력, 코깅토크 등의 측정을 통해 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하고 부하뱅크를 이용한 back-to-back 실험을 통해 전동기의 운전특성과 효율을 계측하였다.
- 먼저, 4극 15슬롯, 6극 27슬롯, 8극 30슬롯의 3가지 극/슬롯 조합에 대해 SPMSM과 IPMSM에 대한 6 모델의 특성해석을 각각 진행하였다. 다음으로 코깅토크 토크리플, 무부하 역기전력의 THD, 손실 특성 등을 비교하여 정격 및 제한조건을 만족하면서 가장 효율이 우수한 모델을 결정하고 제작하였다. 제작된 모델의 무부하 역기전력, 코깅토크 등의 측정을 통해 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하고 부하뱅크를 이용한 back-to-back 실험을 통해 전동기의 운전특성과 효율을 계측하였다.
- 따라서 슬롯오프닝은 권선 직경과 자동권선기의 노즐 크기를 고려하여 자동권선기로 제작할 수 있는 범위 내에 가장 작은 값을 사용하였다. 또한 IPMSM의 Rib 두께는 선행 해석을 통해 기계적으로 강성이 충분히 확보되는 0.7mm로 결정하였다.
- 해석 결과를 보면 각 극수에 대해 분수 슬롯 조합을 갖는 전동기가 다른 극/슬롯 조합의 전동기에 비해 우수한 성능을 갖고 있어 각 극수에서 가장 우수한 SPMSM 모델을 그림 3과 같이 선별하였다. 또한 동일 비교 차원에서 IPMSM도 SPMSM과 동일한 극/슬롯 조합을 갖는 모델을 선택하였다. 그림 3는 선별된 극/슬롯 조합에 대한 SPMSM과 IPMSM의 해석 모델을 나타낸다.
- 본 논문은 SPMSM / IPMSM의 비교 분석에 대해 다루고자 한다. 먼저, 4극 15슬롯, 6극 27슬롯, 8극 30슬롯의 3가지 극/슬롯 조합에 대해 SPMSM과 IPMSM에 대한 6 모델의 특성해석을 각각 진행하였다. 다음으로 코깅토크 토크리플, 무부하 역기전력의 THD, 손실 특성 등을 비교하여 정격 및 제한조건을 만족하면서 가장 효율이 우수한 모델을 결정하고 제작하였다.
- 그림 1은 전동기의 요구 토크-속도 곡선을 나타낸다. 본 연구에서 다룬 전동기는 저속 / 고 토크 구간과 고속 / 저 토크 구간, 두 구간의 운전 영역을 갖는다. 저속(1000rpm~3500rpm)에서도 비교적 높은 토크(5Nm~6Nm)을 요구하기 때문에 전동기의 냉각은 냉매 냉각방식을 적용하였고, 전류밀도는 표 1에서와 같이 20A/mm2 를 적용하였다[8].
- 5%로 제한조건을 만족하였지만 실험 결과는 각각 90%, 91%로 제한조건에 미치지 못하는 이유는 다음과 같이 예상할 수있다. 설계된 두 전동기의 전류밀도는 표 1에서 보는 바와 같이 약 20A/mm2로 냉매 냉각방식인데, 본 논문에서는 전동기 단품에 대한 연구만 진행되어 해당 모델이 적용 될 시스템과 유사한 냉각방식을 적용할 수 없었다. 따라서 전동기에 공기 냉각만을 수행하였기 때문에 분위기 온도가 올라감으로써 권선 온도 상승으로 인한 동손 증가, 영구자석 잔류자속밀도 감소로 인한 입력전류 증가가 그 원인이라고 볼 수 있다.
- 본 연구에서 다룬 전동기는 저속 / 고 토크 구간과 고속 / 저 토크 구간, 두 구간의 운전 영역을 갖는다. 저속(1000rpm~3500rpm)에서도 비교적 높은 토크(5Nm~6Nm)을 요구하기 때문에 전동기의 냉각은 냉매 냉각방식을 적용하였고, 전류밀도는 표 1에서와 같이 20A/mm2 를 적용하였다[8]. 비교적 고속(6000rpm~8000rpm)에서는 상대적으로 낮은 토크(2Nm~4Nm)를 요구한다.
- 다음으로 코깅토크 토크리플, 무부하 역기전력의 THD, 손실 특성 등을 비교하여 정격 및 제한조건을 만족하면서 가장 효율이 우수한 모델을 결정하고 제작하였다. 제작된 모델의 무부하 역기전력, 코깅토크 등의 측정을 통해 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하고 부하뱅크를 이용한 back-to-back 실험을 통해 전동기의 운전특성과 효율을 계측하였다. 실험 결과의 비교 분석을 토대로 성능이 우수한 모델을 선정하였다.
- 그림 8 (a)는 전동기의 효율 측정을 위한 back-to-back 실험 세트를 보여주며 (b)는 부하실험을 위한 저항뱅크이다. 측정 대상이 되는 전동기의 권선에 상용 인버터와 전력분석기를 연결하여 전동기로 작동시키고, 부하로 작용하는 전동기의 권선에 저항부하뱅크를 연결하여 발전기로 사용하여 성능평가를 진행하였다. 그림 9는 부하 실험과 효율 측정에 대한 구성도를 나타낸다.
- 그림 12는 코깅토크 측정을 위한 시험 세트를 나타낸다. 코깅토크 측정 대상이 되는 전동기를 시험 세트에 결합한 후 구동 전동기를 저속으로 구동시켜 토크센서에 검출되는 토크파형을 측정하였다. 본 연구에서 코깅토크는 회전속도 3rpm에서 측정되었다.
- 또한 IPMSM의 해석결과를 보았을 때 8극 30슬롯 모델이 성능면에서 가장 우수한 모델임을 알 수있다. 하지만 6극 27슬롯의 IPMSM도 모든 제한사양을 만족하였기 때문에 정량적 동등 비교를 위해 구동주파수가 선택된 SPMSM과 동일한 6극 27슬롯을 갖는 IPMSM을 제작, 평가하였다. 구동 주파수가 동일한 두 모델을 비교할 때Steinmetz의 실험식으로 도출된 철손 해석 결과의 오차와 제어기의 손실 측면을 배제하고 전동기의 단품에 대한 특성을 비교할 수 있기 때문이다.
대상 데이터
- SPMSM의 유한요소 해석 결과를 토대로 설계 요구조건 및 제한조건을 만족하는 범위 내에서 가장 효율이 우수한 6극 27슬롯, 극호비 0.95 모델을 선정하여 제작하였다. 또한 IPMSM의 해석결과를 보았을 때 8극 30슬롯 모델이 성능면에서 가장 우수한 모델임을 알 수있다.
- 제작된 모델의 무부하 역기전력, 코깅토크 등의 측정을 통해 유한요소해석 결과의 타당성을 검증하고 부하뱅크를 이용한 back-to-back 실험을 통해 전동기의 운전특성과 효율을 계측하였다. 실험 결과의 비교 분석을 토대로 성능이 우수한 모델을 선정하였다.
- 참고문헌 [7]에서 12종류의 극/슬롯 조합을 갖는 SPMSM에 대한 해석 결과를 제시하였다. 해석 결과를 보면 각 극수에 대해 분수 슬롯 조합을 갖는 전동기가 다른 극/슬롯 조합의 전동기에 비해 우수한 성능을 갖고 있어 각 극수에서 가장 우수한 SPMSM 모델을 그림 3과 같이 선별하였다. 또한 동일 비교 차원에서 IPMSM도 SPMSM과 동일한 극/슬롯 조합을 갖는 모델을 선택하였다.
성능/효과
- 그림 14는 회전 속도에 따른 입력전력과 효율을 나타낸다. SPMSM 및 IPMSM은 모두 정격 속도와 정격 출력 조건에서 운전 가능함을 확인하였다. SPMSM의 효율은 약 90%로 제한 조건인 92%에 약 2% 못미치는 효율을 보여준다.
- 그림 10은 제작된 SPMSM 및 IPMSM의 정격 속도에서 측정된 무부하 역기전력과 유한요소해석 데이터를 비교한 결과이다. SPMSM의 실험 결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 잘 일치함을 확인할 수있다. 하지만 IPMSM의 경우 유한요소해석결과와 잘 일치하는 것처럼 보이지만 데이터 분석 결과 실험치가 유한요소해석 데이터에 비해 약 5% 작은 결과를 보여준다.
- SPMSM 및 IPMSM은 모두 정격 속도와 정격 출력 조건에서 운전 가능함을 확인하였다. SPMSM의 효율은 약 90%로 제한 조건인 92%에 약 2% 못미치는 효율을 보여준다. 또한, IPMSM의 경우 측정된 효율이 약 91%로 제한 조건보다 약 1% 낮은 값이다.
- 는 마찰력에 대한 계수이며 주로 1~3W/(kg∙rpm)의 값을 갖는다. 그림 5에서 보는 바와 같이, SPMSM의 4극 15슬롯, 8극 30슬롯 모델은 전 구간에서 요구조건인 92%에 미치지 못하는 것을 알 수 있으며 6극 27슬롯 모델은 극호비가 0.8 이상일 때 요구조건을 만족하는 것을 알 수 있다. 또한 IPMSM의 4극 15슬롯 모델의 경우 영구자석 폭 변화에 따라 전 구간에서 효율 조건을 만족하지 못함을 알 수 있고, 6극 27슬롯 모델의 경우 영구자석 폭이 19mm 이상일 때, 그리고 8극 30슬롯 모델의 경우 영구자석 폭이 15mm 이상인 경우에 요구 효율인 92%를 만족함을 알 수있다.
- 8 이상일 때 요구조건을 만족하는 것을 알 수 있다. 또한 IPMSM의 4극 15슬롯 모델의 경우 영구자석 폭 변화에 따라 전 구간에서 효율 조건을 만족하지 못함을 알 수 있고, 6극 27슬롯 모델의 경우 영구자석 폭이 19mm 이상일 때, 그리고 8극 30슬롯 모델의 경우 영구자석 폭이 15mm 이상인 경우에 요구 효율인 92%를 만족함을 알 수있다.
- 95 모델을 선정하여 제작하였다. 또한 IPMSM의 해석결과를 보았을 때 8극 30슬롯 모델이 성능면에서 가장 우수한 모델임을 알 수있다. 하지만 6극 27슬롯의 IPMSM도 모든 제한사양을 만족하였기 때문에 정량적 동등 비교를 위해 구동주파수가 선택된 SPMSM과 동일한 6극 27슬롯을 갖는 IPMSM을 제작, 평가하였다.
- 또한 SPMSM의 경우 약 2%의 차이를 보이지만 IPMSM의 경우 약 2.5%의 차이를 보이는 것은 3.1절에서 언급한 바와 같이 그림 10, 11과 표 2의 실험 결과를 보면 IPMSM의 무부하 역기전력은 유한요소 해석 결과보다 실험 결과가 약 5% 작기 때문에 정격 운전점에서 동일 토크를 내기 위해 입력 전류가 증가하였고, 그에 따라 동손이 증가하였기 때문이라고 볼 수 있다.
- IPMSM의 경우 전자기 성능만 비교하였을 때 8극 30슬롯 모델이 가장 우수하였지만, 동일한 극/슬롯 조합을 갖는 두 가지 모델의 정량적 비교를 위해 SPMSM과 동일한 6극 27슬롯 모델을 제작하였다. 무부하 역기전력의 THD를 제외한 코깅토크, 자석사용량, 효율 실험에서 SPMSM보다 IPMSM이 더 우수한 성능을 갖는다. 만약 8극 30슬롯의 IPMSM을 제작하여 평가하였다면 6극 27슬롯의 IPMSM보다 더욱 우수한 성능을 보일 것이라 판단된다.
- 본 논문에서 다룬 SPMSM의 경우 고속 운전 시 영구자석의 비산을 막기 위해 회전자의 표면을 슬리브로 감싸기 때문에 IPMSM에 비해 유효 공극길이가 길어지고, 자기장하의 보상을 위해 더 많은 영구자석이 사용된다. 전동기의 출력밀도에 가장 큰 영향을 미치는 유효 공극 길이가 다른 두 기기를 비교하였기 때문에 그 결과가 의미 없을지라도 운전속도에 대해 슬리브가 필요한 SPMSM은 태생적으로 동일 성능의 IPMSM에 비해 출력밀도가 떨어지는 구조적인 한계를 보여주는 바를 확인할 수 있었고 슬리브가 필요 없는, 즉 비교적 중-저속으로 운전되는 기기와 IPMSM에 대해 Rib의 포화보다 기계적 특성이 우선시되는 초고속 기기에 대해서는 그 결과가 상이하게 달라질 수 있다.
- 그림 10은 제작된 SPMSM 및 IPMSM의 정격 속도에서 측정된 무부하 역기전력과 유한요소해석 데이터를 비교한 결과이다. SPMSM의 실험 결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 잘 일치함을 확인할 수있다. 하지만 IPMSM의 경우 유한요소해석결과와 잘 일치하는 것처럼 보이지만 데이터 분석 결과 실험치가 유한요소해석 데이터에 비해 약 5% 작은 결과를 보여준다.
- 본 논문에서 다룬 SPMSM의 경우 고속 운전 시 영구자석의 비산을 막기 위해 회전자의 표면을 슬리브로 감싸기 때문에 IPMSM에 비해 유효 공극길이가 길어지고, 자기장하의 보상을 위해 더 많은 영구자석이 사용된다. 전동기의 출력밀도에 가장 큰 영향을 미치는 유효 공극 길이가 다른 두 기기를 비교하였기 때문에 그 결과가 의미 없을지라도 운전속도에 대해 슬리브가 필요한 SPMSM은 태생적으로 동일 성능의 IPMSM에 비해 출력밀도가 떨어지는 구조적인 한계를 보여주는 바를 확인할 수 있었고 슬리브가 필요 없는, 즉 비교적 중-저속으로 운전되는 기기와 IPMSM에 대해 Rib의 포화보다 기계적 특성이 우선시되는 초고속 기기에 대해서는 그 결과가 상이하게 달라질 수 있다.
- SPMSM의 실험 결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 잘 일치함을 확인할 수있다. 하지만 IPMSM의 경우 유한요소해석결과와 잘 일치하는 것처럼 보이지만 데이터 분석 결과 실험치가 유한요소해석 데이터에 비해 약 5% 작은 결과를 보여준다.
후속연구
- 무부하 역기전력의 THD를 제외한 코깅토크, 자석사용량, 효율 실험에서 SPMSM보다 IPMSM이 더 우수한 성능을 갖는다. 만약 8극 30슬롯의 IPMSM을 제작하여 평가하였다면 6극 27슬롯의 IPMSM보다 더욱 우수한 성능을 보일 것이라 판단된다. 따라서 전동기의 성능 및 효율, 제작성 및 제작 단가, 희토류계 영구자석의 수급성, 양산성 등을 고려했을 때 IPMSM이 SPMSM에 비해 적합하다고 할 수 있다.
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