[논문]전기자 반작용을 고려한 매입형 영구자석 동기전동기의 등가회로 해석

정재우; 이정종; 권순오; 홍정표; 김기남

전기자 반작용을 고려한 매입형 영구자석 동기전동기의 등가회로 해석
Equivalent Circuit Analysis of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Considering Armature Reaction 원문보기

정재우 (한양대학교 기계공학부) , 이정종 (한양대학교 기계공학부) , 권순오 (한양대학교 기계공학부) , 홍정표 (한양대학교 기계공학부) , 김기남 (현대.기아 자동차 하이브리드 설계팀)

Interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) which has high power density is usually applied to traction motor for hybrid electric vehicle. In order to analyze characteristics of IPMSM, d- and q-axis equivalent circuit analysis is generally used. However, the line current of IPMSM calculated by d- and q-axis equivalent circuit analysis differ from measured value. This error is mainly appeared under the flux weakening control. In order to reduce the error between calculated and measured line current, no-load linkage flux which is calculated with considering saturation of magnetic core and armature reaction is applied to characteristic analysis. The result of line current calculated by the method dealt with in this paper is verified by comparison with experimental results.

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문제 정의

이 경우 약계자 제어 구간에는 등가회로 해석으로부터 산정된 전류와 실험 결과에 큰 오차를 보인다. 본 논문에서는 이러한 오차를 보완하기 위해서 등가회로 해석 수행 시 입력되는 파라미터 중의 하나인 쇄교자속량을 자기적 포화현상과 전기자 반작용을 고려하여 d-q축 등가회로 해석에 적용하는 것에 대해 다루었다. 등가회로 해석을 통하여 산정된 입력 전류와 실험 결과를 비교하여 본 논문에서 제시하는 해석방법에 대한 신뢰성을 검증한다.

제안 방법

본 논문에서는 이러한 오차를 보완하기 위해서 등가회로 해석 수행 시 입력되는 파라미터 중의 하나인 쇄교자속량을 자기적 포화현상과 전기자 반작용을 고려하여 d-q축 등가회로 해석에 적용하는 것에 대해 다루었다. 등가회로 해석을 통하여 산정된 입력 전류와 실험 결과를 비교하여 본 논문에서 제시하는 해석방법에 대한 신뢰성을 검증한다.
본 논문에서 제시하는 IPMSM의 특성해석을 수행하는 과정은 기존의 방법과 크게 다르지는 않지만 무부하 쇄교자속 산정에 있어서 전류 크기에 따른 비선형성을 고려하여 특성해석을 반영하고자 한다. 전체적인 특성해석과정은 그림 4와 같다.
본 논문에서 제시한 방법을 통하여 계산된 토크변화에 따른 전류 값을 기존의 방법으로 산정한 전류 값과 실험을 통하여 측정된 전류 값을 비교하여 제안된 방법으로 해석된 결과의 신뢰성을 점증하였다. 그림 6은 실험 시 구성된 장비들을 나타낸다.
측히 약계자 영역에서는 무부하 시 쇄교자속과 부하를 고려한 무부하 쇄교자속의 값과 위상이 큰 차이를 보인다. 본 논문에서는 기존의 등가회로에서 고려하지 못한 부하는 고려한 쇄교자속을 전류 및 전류 위상별로 산정하고 쇄교자속 pofile을 등가회로 해석에 반영하였다. 그 결과 약계자 구간인 6000pm 에서의 전류 값의 오차가 기존의 약 127% 에서 약 2.
기존 등가회로 해석의 경우 극 당 쇄교자속량 ψa는 부하 전류에 상관없이 일정한 값을 입력하는데 이것은 실제 현상과 차이가 있다. 이러한 기존의 해석 방법을 보완하기 위하여 부하에 따른 전기자 반작용과 자기적 비선형 특성을 등가회로 해석에 반영하였다.
전체적인 특성해석과정은 그림 4와 같다. 자기적 비선형성을 등가회로 해석에 고려해주기 위하여 기존의 방법에서 사용하던 전류 및 전류 위상각 별인덕턴스 프로파일을 산정한다. 이때 인덕턴스는 무부하 시와 부하 시 쇄교자속의 크기와 위상의 관계로부터 유도된 식 (4)를 통하여 산정한다.

대상 데이터

해석모델은 HEV 구동용 모터로 설계된 IPMSM이며 대략적인 사양은 표 1과 같다. 최대전류 약 140Arms에서 최대토크 105Nm를 발생시키며 최대 속도 6000rpm까지 운전된다.

성능/효과

전류를 비교해놓은 그래프이다. Anal_L로 표시된 본 논문에서 제안한 방법으로 해석한 결과가 Anal로 표시된 기존의 방법보다 실험 결과에 더 근접해 있음을 확인할 수 있다. 속도별로 보면, maximum torque per ampere 제어를 하는 1000rpm에서는 기존의 방법과 본 논문에서 제시한 방법으로 산정된 전류 값이 비슷한 양상을 가진다 하지만 약계 자제 어를 하는 6000rpm에서 두 해석 방법으로 산정된 전류 값은 큰 차이를 보이며, 논문에서 제시하는 방법으로 산정된 해석 값이 실험 결과에 더 근접해 있음을 볼 수 있다.
본 논문에서는 기존의 등가회로에서 고려하지 못한 부하는 고려한 쇄교자속을 전류 및 전류 위상별로 산정하고 쇄교자속 pofile을 등가회로 해석에 반영하였다. 그 결과 약계자 구간인 6000pm 에서의 전류 값의 오차가 기존의 약 127% 에서 약 2.7%로 감소하였음을 확인했다. 제시된 방법은 투하에 따른 IPMSM의 신뢰성 있는 전류 예측에 도움이 될 것으로 판단된다
Anal_L로 표시된 본 논문에서 제안한 방법으로 해석한 결과가 Anal로 표시된 기존의 방법보다 실험 결과에 더 근접해 있음을 확인할 수 있다. 속도별로 보면, maximum torque per ampere 제어를 하는 1000rpm에서는 기존의 방법과 본 논문에서 제시한 방법으로 산정된 전류 값이 비슷한 양상을 가진다 하지만 약계 자제 어를 하는 6000rpm에서 두 해석 방법으로 산정된 전류 값은 큰 차이를 보이며, 논문에서 제시하는 방법으로 산정된 해석 값이 실험 결과에 더 근접해 있음을 볼 수 있다. 이러한 해석결과가 나타나는 이유는, 전류 위상각 증가에 따라 부하상태를 고려한 무부하 쇄교자속이 증가하기 때문에 전압만족을 위한 d축 전류가 더 인가되기 때문이고 결과적으로 해석치와 실험치의 오차를 줄일 수 있었다.
속도별로 보면, maximum torque per ampere 제어를 하는 1000rpm에서는 기존의 방법과 본 논문에서 제시한 방법으로 산정된 전류 값이 비슷한 양상을 가진다 하지만 약계 자제 어를 하는 6000rpm에서 두 해석 방법으로 산정된 전류 값은 큰 차이를 보이며, 논문에서 제시하는 방법으로 산정된 해석 값이 실험 결과에 더 근접해 있음을 볼 수 있다. 이러한 해석결과가 나타나는 이유는, 전류 위상각 증가에 따라 부하상태를 고려한 무부하 쇄교자속이 증가하기 때문에 전압만족을 위한 d축 전류가 더 인가되기 때문이고 결과적으로 해석치와 실험치의 오차를 줄일 수 있었다.

후속연구

7%로 감소하였음을 확인했다. 제시된 방법은 투하에 따른 IPMSM의 신뢰성 있는 전류 예측에 도움이 될 것으로 판단된다

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