전기자동차용 전동기는 운전모드에 따라 효율특성이 차이가 나기 때문에 저속 및 고속의 운전모드에서 고효율특성을 평가하기 위한 연구는 매우 중요하다. 따라서 전기자동차 구동용 전동기의 고토크 및 고출력 밀도, 고효율특성을 변경할 수 있는 설계 방안이 필요하다. 본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 고정자와 회전자의 직경비를 각각 0.62, 0.65, 0.68로 변경 설계하여 전 운전구간의 효율특성과 시내 및 고속도로 운전모드에서의 평균효율특성을 분석하였다. 전 운전구간의 효율특성을 분석한 결과, 직경비가 증가할수록 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동하고, 직경비가 감소할수록 고효율 구간이 고속 저토크 부근으로 이동함을 확인하였다. 시내 및 고속도로 운전모드에서의 평균효율특성을 분석한 결과, 직경비 0.68 모델이 직경비 0.63 및 0.65 모델보다 평균효율이 높게 분석되었으며 시내 및 고속도로 주행모드에 적합함을 확인하였다.
전기자동차용 전동기는 운전모드에 따라 효율특성이 차이가 나기 때문에 저속 및 고속의 운전모드에서 고효율특성을 평가하기 위한 연구는 매우 중요하다. 따라서 전기자동차 구동용 전동기의 고토크 및 고출력 밀도, 고효율특성을 변경할 수 있는 설계 방안이 필요하다. 본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 고정자와 회전자의 직경비를 각각 0.62, 0.65, 0.68로 변경 설계하여 전 운전구간의 효율특성과 시내 및 고속도로 운전모드에서의 평균효율특성을 분석하였다. 전 운전구간의 효율특성을 분석한 결과, 직경비가 증가할수록 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동하고, 직경비가 감소할수록 고효율 구간이 고속 저토크 부근으로 이동함을 확인하였다. 시내 및 고속도로 운전모드에서의 평균효율특성을 분석한 결과, 직경비 0.68 모델이 직경비 0.63 및 0.65 모델보다 평균효율이 높게 분석되었으며 시내 및 고속도로 주행모드에 적합함을 확인하였다.
Electric motors for electric vehicles differ in efficiency characteristics depending on the operation modes, studies for evaluating high efficiency characteristics in low speed and high speed operation modes are very important. Therefore, it is necessary to design method that can change the high tor...
Electric motors for electric vehicles differ in efficiency characteristics depending on the operation modes, studies for evaluating high efficiency characteristics in low speed and high speed operation modes are very important. Therefore, it is necessary to design method that can change the high torque, high output density, and high efficiency characteristics of driving motors for electric vehicles. In this paper, the diameter ratio of stator and rotor for the interior permanent magnet synchronous motor is change of designed 0.62, 0.65, and 0.68, respectively, and the efficiency characteristics of the entire operation section, average efficiency characteristics of the city driving modes and express highway driving modes are analyzed. As a result of analyzing the efficiency characteristics of the entire operating section, it was confirmed that as the diameter ratio increases, the high efficiency section moves to the low speed and low torque section and the high efficiency section moves to the high speed and low torque neighborhood as the diameter ratio decreases. As a result of analyzing the average efficiency characteristics in the city driving modes and express highway driving modes, the average efficiency of 0.68 model is analyzed to be more efficient than the 0.63 and 0.65 model ratio, and it is confirmed that it is suitable for city driving modes and express highway driving modes.
Electric motors for electric vehicles differ in efficiency characteristics depending on the operation modes, studies for evaluating high efficiency characteristics in low speed and high speed operation modes are very important. Therefore, it is necessary to design method that can change the high torque, high output density, and high efficiency characteristics of driving motors for electric vehicles. In this paper, the diameter ratio of stator and rotor for the interior permanent magnet synchronous motor is change of designed 0.62, 0.65, and 0.68, respectively, and the efficiency characteristics of the entire operation section, average efficiency characteristics of the city driving modes and express highway driving modes are analyzed. As a result of analyzing the efficiency characteristics of the entire operating section, it was confirmed that as the diameter ratio increases, the high efficiency section moves to the low speed and low torque section and the high efficiency section moves to the high speed and low torque neighborhood as the diameter ratio decreases. As a result of analyzing the average efficiency characteristics in the city driving modes and express highway driving modes, the average efficiency of 0.68 model is analyzed to be more efficient than the 0.63 and 0.65 model ratio, and it is confirmed that it is suitable for city driving modes and express highway driving modes.
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문제 정의
본 논문에서는 EV 구동용 IPMSM 고정자 및 회전자의 직경비 변경 설계에 따른 고효율 구간 이동에 대한 특성 연구를 수행하였으며 연구결과를 요약하면 다음과 같다. IPMSM 기본모델에 따른 무부하 역기전력과 코깅토크 파형을 분석하였으며, 그 결과 값이 EV 구동용 전동기에 적합함을 확인하였다.
본 논문에서는 IPMSM의 전기장하와 자기장하의 비를 변경하기 위해 고정자와 회전자의 직경비를 변경하는 방법을 제안하였다. 직경비 변경 설계는 Maxwell 프로그램를 이용하였으며 고효율 구간 이동에 따른 IPMSM의 효율특성을 분석하기 위해 해석모델의 코일 턴(turn)수는 9턴, 릴(reel)수는 12릴로 동일하게 선정하였다.
제안 방법
IPMSM 기본모델에 따른 무부하 역기전력과 코깅토크 파형을 분석하였으며, 그 결과 값이 EV 구동용 전동기에 적합함을 확인하였다. 고효율 구간 이동에 따른 효율특성을 분석하기 위해 IPMSM의 고정자와 회전자의 직경비를 각각 0.62, 0.65, 0.68로 변경 설계하였다.
직경비 변경 설계는 Maxwell 프로그램를 이용하였으며 고효율 구간 이동에 따른 IPMSM의 효율특성을 분석하기 위해 해석모델의 코일 턴(turn)수는 9턴, 릴(reel)수는 12릴로 동일하게 선정하였다. 또한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM)을 이용한 전자장 해석을 통해 운전모드에 따른 평균효율특성을 분석하였다.
이러한 이유로 인해 본 논문에서 사용된 모델은 최대속도 10,000 rpm까지 운전이 가능하며 전기자 전류의 고조파 성분을 줄이기 위해서 코킹토크를 고려하여 전기자권선은 분포권으로 사용된다. 회전자의 매입형 영구자석형상은 V type으로 다른 영구자석 형상보다 자속이 더 집중될 수 있다.
대상 데이터
1은 IPMSM 해석모델의 기본사양이다. 본 모델은 8극 48슬롯으로 구성되어져 있으며 최대출력은 80 kW, 최대토크는 254.6 Nm, 정격속도는 3,000 rpm이다. IPMSM는 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 같이 사용함으로 역돌극성에 의하여 전기자 전류 위상각의 제어를 통해 정출력 구간에서 약자속 제어가 사용된다[16].
데이터처리
본 논문에서는 IPMSM의 전기장하와 자기장하의 비를 변경하기 위해 고정자와 회전자의 직경비를 변경하는 방법을 제안하였다. 직경비 변경 설계는 Maxwell 프로그램를 이용하였으며 고효율 구간 이동에 따른 IPMSM의 효율특성을 분석하기 위해 해석모델의 코일 턴(turn)수는 9턴, 릴(reel)수는 12릴로 동일하게 선정하였다. 또한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM)을 이용한 전자장 해석을 통해 운전모드에 따른 평균효율특성을 분석하였다.
성능/효과
Fig. 3(a)은 직경비를 0.62로 적용한 모델의 전 운전구간 효율 맵으로 전압의 포화는 약 5,000 rpm에서 이루어지며 최대효율구간은 약 5,000 rpm에서 발생되는 것을 확인할 수 있다. 그림 Fig.
Table. 5의 데이터를 비교 분석한 결과, 시내 및 고속도로 주행모드에서 직경비 0.68 모델이 직경비 0.62 및 0.65 모델보다 평균효율이 높게 분석되어져 시내 및 고속도로 주행모드에 가장 적합하다고 판단되어진다.
본 논문에서는 EV 구동용 IPMSM 고정자 및 회전자의 직경비 변경 설계에 따른 고효율 구간 이동에 대한 특성 연구를 수행하였으며 연구결과를 요약하면 다음과 같다. IPMSM 기본모델에 따른 무부하 역기전력과 코깅토크 파형을 분석하였으며, 그 결과 값이 EV 구동용 전동기에 적합함을 확인하였다. 고효율 구간 이동에 따른 효율특성을 분석하기 위해 IPMSM의 고정자와 회전자의 직경비를 각각 0.
또한 IPMSM의 고효율 구간이 전압 포화지점 근처에서 나타나는 특성을 고려했을 때, 직경비를 증가한 모델의 경우, 영구자석의 단면적이 증가함에 따라 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동하며, 이와 반대로 직경비를 감소한 모델의 경우, 영구자석의 단면적이 감소함에 따라 영구자석의 자속량이 감소하므로 전압의 포화가 기존모델에 비해 늦게 이루어지는 것을 확인하였다. 결과적으로, 직경비가 작은 모델의 경우 고효율 구간이 고속 저토크 부근에서 높게 나타나는 것을 확인하였다.
따라서 직경비가 증가할수록 영구자석의 단면적 및 자기장하가 비례하여 증가하므로 전압의 포화가 더욱 더 빠르게 이루어지며 최대 효율범위가 더욱 넓어지는 것을 확인할 수 있다.
또한 IPMSM의 고효율 구간이 전압 포화지점 근처에서 나타나는 특성을 고려했을 때, 직경비를 증가한 모델의 경우, 영구자석의 단면적이 증가함에 따라 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동하며, 이와 반대로 직경비를 감소한 모델의 경우, 영구자석의 단면적이 감소함에 따라 영구자석의 자속량이 감소하므로 전압의 포화가 기존모델에 비해 늦게 이루어지는 것을 확인하였다. 결과적으로, 직경비가 작은 모델의 경우 고효율 구간이 고속 저토크 부근에서 높게 나타나는 것을 확인하였다.
3에서 효율 맵을 설명한 바와 같이 직경비가 증가할수록 영구자석의 단면적 및 자기장하가 비례하여 증가하므로 전압의 포화가 저속으로 이동하며 빠르게 이루어지는 것을 확인 할 수 있다. 또한 자기장하 변화로 인해 철손도 변화하기 때문에 직경비가 증가할수록 철손도 고속 구간에서 증가되는 것을 확인하였다.
65 Vrms이다. 무부하 역기전력의 배터리 제한 전압이 360 Vdc이므로 무부하에서는 이론적으로 7,100 rpm까지 운전이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. Fig.
본 논문에서 알 수 있듯이, 전기장하와 자기장하의 비를 조정함으로써 고효율 구간이 변경된다. 따라서 전기장하와 자기장하의 비를 조정하기 위한 IPMSM의 설계 파라미터를 선정하여 EV의 주 사용구간에 전동기의 고효율 구간이 나타나도록 하는 변경 설계가 필요하다.
직경비에 따른 IPMSM의 효율특성을 분석한 결과, 직경비가 증가할 경우 영구자석의 단면적이 증가함에 따라 자기장하 증가로 전압의 포화가 기존모델에 비해 빠르게 이루어져 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동함을 확인하였다. 이와 반대로, 직경비가 감소할 경우 영구자석의 단면적이 감소함에 따라 영구자석의 자속량이 감소하므로 전압의 포화가 기존모델에 비해 늦게 이루어져 고효율 구간이 고속 저토크 부근에서 높게 나타나는 것을 확인하였다. 직경비에 따른 각 모델의 시내 및 고속도로 주행모드에 해당되는 운전점의 평균효율특성을 분석한 결과, 직경비 0.
5는 직경비의 크기에 따른 각 모델의 시내 주행모드 및 고속도로 주행모드에 해당되는 평균효율특성을 분석한 데이터이다. 직경비 0.62 모델의 경우 시내 주행모드에서의 평균효율은 95.64 %, 고속도로 주행모드에서의 평균효율은 95.54 %로 분석되어졌으며, 직경비 0.65모델의 경우 시내 주행모드에서의 평균효율은 96.14 %, 고속도로 주행모드에서의 평균효율은 96.33 %로 분석되어졌다. 또한 직경비 0.
직경비에 따른 IPMSM의 효율특성을 분석한 결과, 직경비가 증가할 경우 영구자석의 단면적이 증가함에 따라 자기장하 증가로 전압의 포화가 기존모델에 비해 빠르게 이루어져 고효율 구간이 저속 저토크 구간으로 이동함을 확인하였다. 이와 반대로, 직경비가 감소할 경우 영구자석의 단면적이 감소함에 따라 영구자석의 자속량이 감소하므로 전압의 포화가 기존모델에 비해 늦게 이루어져 고효율 구간이 고속 저토크 부근에서 높게 나타나는 것을 확인하였다.
이와 반대로, 직경비가 감소할 경우 영구자석의 단면적이 감소함에 따라 영구자석의 자속량이 감소하므로 전압의 포화가 기존모델에 비해 늦게 이루어져 고효율 구간이 고속 저토크 부근에서 높게 나타나는 것을 확인하였다. 직경비에 따른 각 모델의 시내 및 고속도로 주행모드에 해당되는 운전점의 평균효율특성을 분석한 결과, 직경비 0.68 모델이 시내 및 고속도로 주행모드에 적합하다고 판단되어진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기자동차용 전동기의 저속 및 고속의 운전모드에서 고효율특성을 평하기 위한 연구가 중요한 이유는?
전기자동차용 전동기는 운전모드에 따라 효율특성이 차이가 나기 때문에 저속 및 고속의 운전모드에서 고효율특성을 평가하기 위한 연구는 매우 중요하다. 따라서 전기자동차 구동용 전동기의 고토크 및 고출력 밀도, 고효율특성을 변경할 수 있는 설계 방안이 필요하다.
80 kW급 IPMSM의 특징은?
1은 IPMSM 해석모델의 기본사양이다. 본 모델은 8극 48슬롯으로 구성되어져 있으며 최대출력은 80 kW, 최대토크는 254.6 Nm,정격속도는 3,000 rpm이다. IPMSM는 마그네틱 토크와릴럭턴스 토크를 같이 사용함으로 역돌극성에 의하여 전기자 전류 위상각의 제어를 통해 정출력 구간에서 약자속 제어가 사용된다[16].
매입형 영구자석 동기전동기란?
매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 영구자석이 회전자의 철심에 매입된 구조로 d-q축의 인덕턴스 차이에따라 약자속 영역 운전의 범위를 넓게 할 수 있으므로 넓은 가변속 운전이 요구되는 EV 또는 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)에 널리 사용되고 있다[8-11].
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