[논문]회전자 위치추정을 위해 자기적 돌극성을 고려한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 설계

조정현; 이치우

doi:10.5370/kiee.2017.66.5.765

회전자 위치추정을 위해 자기적 돌극성을 고려한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 설계
Design of Surface Permanent Magnet Synchronous Machine with Magnetic Saliency for Self-Sensing Position Estimation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.5, 2017년, pp.765 - 771

조정현 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 이치우 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents concurrent design methods of surface permanent magnet synchronous machines for saliency-tracking self-sensing position estimation. Magnetic saliency for the self-sensing is created by stator pole saturation due to the rotor zigzag leakage flux. The power conversion properties such as saliency ratio, torque ripple, and efficiency vary according to motor design. The property change due to design modification is analysed by using finite element analysis, and with the appropriate design modification, proper saliency is created while preserving their power conversion capabilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 고주파 주입 센서리스 제어를 위해 돌극성을 고려한 설계를 수행한다. 고정자, 회전자 18/12극 집중권 구조의 전동기의 Zigzag leakage flux에 의한 자기적 돌극성에 대해 분석하고, Zigzag leakage flux의 주 발생 원인이 되는 고정자 폴의 구조, 영구자석 착자방식, 그리고 영구자석 구조에 따른 자기적 돌극성과 전동기 성능 변화를 분석하여 최적 설계를 수행한다.

제안 방법

본 논문에서는 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 고주파 주입 센서리스 제어를 위해 돌극성을 고려한 설계를 수행한다. 고정자, 회전자 18/12극 집중권 구조의 전동기의 Zigzag leakage flux에 의한 자기적 돌극성에 대해 분석하고, Zigzag leakage flux의 주 발생 원인이 되는 고정자 폴의 구조, 영구자석 착자방식, 그리고 영구자석 구조에 따른 자기적 돌극성과 전동기 성능 변화를 분석하여 최적 설계를 수행한다.
돌극성을 고려하지 않는 기존 설계 결과와의 성능 비교를 위해 전동기 체적, 영구자석 사용량, 그리고 동량에 대해 동일 조건에서 돌극성을 고려하지 않은 SPMSM을 설계하였다. 표 4는 돌극성을 고려하지 않는 일반적인 방식으로 설계한 전동기와 돌극성을 고려하여 설계한 전동기의 성능을 비교하여 나타낸다.
고정자 치 높이를 줄여 고정자 치에서의 zigzag leakage flux에 의한 포화 현상으로 인덕턴스 변화율을 높게 할 수 있지만, 주 자속에 의한 포화현상 또한 두드러져 인덕턴스 돌극비가 고정자 치 감소에 비례하지 않음을 확인하였다. 따라서 이와 같은 현상을 개선 하고자 영구자석의 형상을 변경하여 주 자속에 의한 포화는 줄이고, zigzag leakage flux에 의한 포화를 증가 시킬 수 있는 설계를 시행한다.

데이터처리

Zigzag leakage flux에 의한 자기적 돌극성 생성이 전동기 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 동 특성 해석을 시행하였다. ;고정자 폴 치 높이 0.4 mm와 0.

성능/효과

03의 돌극비를 가지는 것을 확인하였다. 돌극비 생성에 따른 전동기 특성변화를 분석하기 동 특성 해석을 시행하였고, zigzag flux leakage에 의한 포화가 주 자속경로에 영향을 주지 않도록 설계할 때 돌극성을 고려하지 않은 모델과 비교하여 큰 성능 저하가 없는 것을 확인하였다.
8 세 가지 모델에 대해 주 자속 경로 d축의 포화를 완화하기 위해 영구자석 형상을 변경하며 개선 설계를 시행하였다. 영구자석의 형상이 변경됨에 따라 주 자속경로의 포화가 완화되는 것을 확인하였고, 그 결과 폴 치 높이 0,4, 0.6, 그리고 0.8일 때 각각 0.1, 0.06, 0.03의 돌극비를 가지는 것을 확인하였다. 돌극비 생성에 따른 전동기 특성변화를 분석하기 동 특성 해석을 시행하였고, zigzag flux leakage에 의한 포화가 주 자속경로에 영향을 주지 않도록 설계할 때 돌극성을 고려하지 않은 모델과 비교하여 큰 성능 저하가 없는 것을 확인하였다.
고정자 폴 치 높이의 감소는 zigzag flux leakage에 의한 축 인덕턴스를 포화를 강화시켜 인덕턴스 돌극성을 상승시키기도 하지만, 주 자속 경로인 축도 포화시킬 수 있는 가능성이 있고, 이러한 경우 돌극비가 감소하고 전동기의 성능이 저하된다. 포화를 야기하는 zigzag flux leakage는 영구자석의 자속에 의한 것임에 착안하여 영구자석 착자 방향에 따른 영향을 분석하였고, 돌극성 생성 측면에서 parallel 착자가 적합함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석 동기 전동기의 특성은?	교류 전동기 가운데 효율이 높고 출력밀도가 크며 빠른 제어 동특성을 얻을 수 있어 산업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있는 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Machine : PMSM)는 영구자석의 배치 구조에 따라 크게 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(Surface Permanent Magnet Synchronous Machine : SPMSM)와 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Machine: IPMSM)로 구분할 수 있다. 매입형 영구자석 동기 전동기는 영구자석 매입에 의한 공간적 돌극성이 존재해 고주파 주입이 용이한데 반해 표면 부착형 영구자석 동기 전동기는 일정한 공극으로 돌극성이 존재하지 않아 고주파 주입 센서리스 제어를 적용하기에 불리한 구조적 특성을 가지고 있다.
	기존의 전동기 설계의 목적은?	기존의 전동기 설계는 전동기 효율, 출력, 역기전력, 그리고 토크 특성등 주로 전동기의 성능 향상을 목적으로 수행된다. 이러한 기존의 설계 관점은 에너지 변환 측면에서 좋은 특성을 보이지만 돌극성을 이용한 센서리스 제어의 적용에 있어 그 가능성을 제한하는 요인이 되고, 특히 구조적으로 균일한 공간적 임피던스를 갖는 표면 부착형 영구자석 동기 전동기에서의 적용이 힘들다[1].
	엔코더나 레졸버와 같은 센서를 사용함으로써의 장단점은?	이러한 교류전동기의 고성능 운전을 위해서는 회전자의 위치정보가 필요하고, 일반적으로 엔코더나 레졸버가 이를 위한 검출기로서 현재 가장 널리 사용되고 있다. 이와 같은 센서의 사용은 회전자 위치 검출을 가능하게 하지만, 시스템 설치 환경에 민감하고, 센서 신호의 인터페이스를 위해 필요한 부품들로 시스템이 복잡해지고 노이즈에 취약해져 시스템의 신뢰성을 저하시키고, 시스템 가격 증가의 원인이 된다. 따라서 전동기의 센서리스 제어는 필수적인 요건으로 자리매김하고 있다.

참고문헌 (13)

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S. C. Yang, R. D. Lorenz, "Surface Permanent-Magnet Machine Self-Sensing at Zero and Low Speeds Using Improved Observer for Position, Velocity, and Disturbance Torque Estimation", IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 48, No. 1, pp151-160, 2012.

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D. Hanselman, "Brushless Permanent Magnet Motor Design," 2003.

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