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문제 정의
- 그러므로, 본 연구의 독립여자권선 영구자석 전동기를 전기자전거 시스템에 적용하기 위해서는 출력토크 및 속도응답 특성을 개선하는 것이 중요하므로 상전류의 성능을 개선하기 위해 역기전력에 대한 상전류의 위상각을 약 30- 앞서도록 조정한 진상각 제어법을 적용하였다. 따라서, 본 논문에서는 Spoke타입 독립여자권선 영구자석 전동기와 진상각 제어법, 하이브리드 구동시스템을 적용한 전기자전거 구동제어 시스템을 구현하여 시뮬레이션 및 실험을 통해 본 시스템의 출력 및 효율 개선 특성을 확인하여 상품화 가능성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 BLDC 전동기와 SRM의 장점들을 갖고 있는 독립 여자 권선 영구자석 전동기를 적용한 전기자전거 구동제어 시스템을 설계하고 FEM에 의한 전류파형 특성과 토크특성을 해석하여 최대 토크와 최저 토크 리플을 얻을 수 있는 최적 진상각과 여자폭을 도출하였다, 또한, 3상 바이폴러 PWM법과 전류 진상각 제어법을 적용한 실험을 통해본 전기자전거 구동제어 시스템의 타당성을 확인하였다. 따라서, 제안한 IEWPM 전동기와 구동제어 시스템은 전기자전거나 전기스쿠터 뿐만 아니라 다양한 분야의 개인 수송시스템에 적용할 수 있을 것으로 판단되며, 21세기의 화두인 에너지 및 환경문제 해결에 적극 부응할 수 있을 것으로 사료된다.
- 또한, 전 세계 전기자전거 시장의 40%를 점유하고 있는 중국뿐만 아니라 전 세계 제조사들의 90%는 외전형 Pan cake 형태의 전동기를 휠의 중앙에 설치하여 직접구동하는 허브타입 구동장치를 채택하고 있으나, 이 방식은 직접구동 방식이므로 기동시나 언덕을 올라갈 때 과도한 에너지를 소비하며, 자전거 앞바퀴에 설치하는 경우는 자전거의 균형을 깨트릴 수 있다. 본 연구에서는 전동기를 내장한 하이브리드 구동장치를 페달이 위치한 자전거의 중앙에 설치하여 전동기 기동시나 경사지역 운전시에 배터리의 전류소모를 줄이고, 배터리의 수명연장과 주행거리 연장이 가능하도로 하였다. 또한, 본 연구의 독립여자권선 영구자석 전동기는 상호 결선된 일반적인 구조가 아닌 상간에 서로 분리된 독립여자권선을 가지고 있어 상수의 증가가 용이하고 제어기 설계 시 자유도가 높다고 할 수 있다.
- 본 연구에서는 최근 전기자동차와 전기자전거(전기 스쿠터 포함) 시스템에 활발히 적용되고 있는 기존의 Y결선 BLDC 전동기나 SRM을 대신 할 수 있는 새로운 형태의 전동기 즉, SRM의 독립여자권선과 BLDC 전동기의 희토류 영구자석(IPM)을 모두 가지고 있는 Spoke 타입 독립 여자 권선 영구자석(IEWPM: Independently Excited Winding Permanent Magnet) 전동기를 전기자전거 시스템에 적용하기 위한 구동제어기 설계를 수행하였으며, 그림 1에 Spoke 타입 IEWPM 전동기의 기본 구조와 구동제어를 위한 인버터를 나타내었다. 그림 1(b)에서 알 수 있듯이, 구동 인버터는 총 12개의 파워 스위치로 구성되며 구간별 두 개의 상만도 통하는 2상 여자방식과 상하의 스위치 모두 PWM 파형으로 구동되는 바이폴러 PWM 방식을 사용하였다.
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