[논문]전동식 압축기용 영구자석 동기전동기 개발 Part 2 - 소음저감

이정경; 구인회; 이건호; 이제희; 여형기

전동식 압축기용 영구자석 동기전동기 개발 Part 2 - 소음저감
Development of PMSM for Electric Drive Compressor Part 2 : Reduction of Noise Level 원문보기

이정경 (두원 기술개발연구소) , 구인회 (두원공과대학) , 이건호 (두원공과대학) , 이제희 (두원공과대학) , 여형기 (두원공과대학)

This study deals with the development of PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) for automotive EDC(Electric Drive Compressor). We have already developed the previous version of PMSM. It showed the characteristics of small size and high efficiency. But noise and vibration levels were higher than target values, so it was impossible to apply. So, in order to reduce noise and vibration levels, many parameters like the numbers of slots, the numbers of winding turns, and slot open width were changed. As a result, noise level of newly developed PMSM was decreased about 36.9% at maximum operating frequency (8600 rpm), and was reduced about 37.7% at rated frequency (6000 rpm) with the same sized and more efficient PMSM.

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문제 정의

그 중 전동식 압축기의 주 구동원이 되는 모터는 압축기의 성능, 소음, 크기, 신뢰성 등에 큰 영향을 미치며, 특히 차량용의 경우 소형 및 고출력이 요구된다. 기존의 1 차 연구에서는 이러한 사항을 만족하는 영구자석형 동기모터(PMSM)의 개발을 수행하였으며,⁽¹⁾ 본 2 차 연구의 목적은 1 차 연구의 결과인 소형 및 고출력 특성을 유지하면서, 소음 및 진동 특성을 개선하는 것이다. 기존의 1차 개발은 소형(직경 85 mm, 길이 51 mm), 고속(8600 rpm), 고토크(6 N·m)를 목표로 설계 되었다.
본 연구는 연료전지 및 하이브리드의 차량용 공조 시스템에 사용되는 전동식 압축기용 모터개발로써, 1 차 연구에서 개발된 모터의 이상소음과 진동 문제를 개선하기 위한 연구이다. 1 차 개발 모터의 문제파악을 위해서 해석, 설계 검토 및 개선 모터 설계, 제작을 통한 실험 결과를 다루고 있다.

제안 방법

슬롯의 증가는 코깅토크와 슬롯, 극수 조합 Table 을 참조하여 선정하였다.⁽²⁾ 또한 코깅토크 축소를 위한 방안으로 다음과 같이 공극 길이 증가, 분수 슬롯 또는 극 사용, 슬롯 또는 극수 증가, 슬롯 개구폭 감소, 보조 슬롯 사용, 자석의 형상 변화 등 중에서 슬롯수 증가와 슬롯 개구폭 감소방안 등을 적용함으로써, 주로 고정자 형상 변경을 시도하였다. 고정자와 회전자의 주요 설계 변수는 Table 2 에서 나타내고 있다.
(a) 1 차 개발 모터의 역기전력 파형은 정현파와 유사하지만 8 극 9 슬롯 조합으로 기자력 분포가 공간적으로 비대칭이기 때문에 소음 및 진동이 과도하게 발생하였다. 따라서 (b) 2 차 개발 모터는 역기전력 파형이 찌그러지더라도 기자력 분포를 대칭으로 만들 수 있는 8 극 12 슬롯 조합과 슬롯 개구폭을 최소로 하여 소음 및 진동을 억제할 수 있는 방향으로 설계, 해석 하였다. 역기전력의 파형은 정격인 6000 rpm, 4 N·m 에서의 크기이다.
IPM(Interior Permanent Magnet) type 회전자는 고속회전시 자석의 원심력에 의해 회전자 소손이 발생할 수 있어 Fig. 9 와 같이 회전자 코어의 형상에 대한 응력해석을 통해 점검하였다. Fig.
고정자와 회전자의 주요 설계 변수는 Table 2 에서 나타내고 있다. 고정자의 주요설계 입력으로 외경, 공극, 고정자 치폭등을 설정하였다. 설계사양을 만족하기 위해서는 슬롯수 증가에 따른 권선의 두께 및 턴수의 변경, 고정자 축 방향 길이 증가 등으로 1 차 개발 모터와 동등 출력이 가능하도록 제작하였다.
또한 PMSM 에서 전자소음에 영향을 미치는 주요 원인으로는 권선전류의 상변환과 코깅토크가 있다. 그래서 기자력 분포와 코깅토크의 안정화를 개선목표로 선정하였다. 부가적으로 폐슬롯에 가깝게 슬롯 개구폭을 줄임으로써 토크리플의 영향성을 축소하는 방향으로 2 차 연구를 진행하였다.
소음측정은 Dynamo System 과 개발 모터를 무향실에 장착할 수 없기 때문에 일반 성능 실험실에서 모터 후단 약 50 cm 에서 구동시험 중에 측정을 하였다. 물론 암소음이 커서 정밀측정 소음과는 차이가 클 수도 있지만, 두 모터의 시험환경 및 구동 시 부하를 동일조건에서 진행을 하며, 최대한 외부에서 유입되는 잡음을 차단하였다.
그래서 기자력 분포와 코깅토크의 안정화를 개선목표로 선정하였다. 부가적으로 폐슬롯에 가깝게 슬롯 개구폭을 줄임으로써 토크리플의 영향성을 축소하는 방향으로 2 차 연구를 진행하였다.
고정자의 주요설계 입력으로 외경, 공극, 고정자 치폭등을 설정하였다. 설계사양을 만족하기 위해서는 슬롯수 증가에 따른 권선의 두께 및 턴수의 변경, 고정자 축 방향 길이 증가 등으로 1 차 개발 모터와 동등 출력이 가능하도록 제작하였다. 회전자의 경우, 외경, 자석 두께 등을 주요 입력변수로 설정하였다.
1 차 개발 모터에 대한 개선사항으로는 기자력 분포의 비대칭을 대칭구조로 개선하였다. 이를 위해서 슬롯과 극수의 조합 변경을 8 극 12 슬롯 구조로 변경하였으며 소음, 진동 저감을 위해서는 고정자 개구폭 축소와 코일두께 변경, 턴수 증가, 병렬회로수 추가등을 보완하였다. 그 결과 동손은 1 차 개발 모터 대비 약 3.
입력전압은 현재 사용되고 있는 Hybrid 차량의 Battery 용량을 기준하여 설계되었다. 입력전압은 FCV(Fuel Cell Vehicle) 또는 Hybrid 자동차의 Battery 에 의해 선정하였고, 정격 및 최대 부하 조건은 적용되는 압축기의 용량과 냉방능력에 따라 선정을 하였다.
Table 1 은 1 차 연구를 통해 결정된 사양을 나타내고 있다. 입력전압은 현재 사용되고 있는 Hybrid 차량의 Battery 용량을 기준하여 설계되었다. 입력전압은 FCV(Fuel Cell Vehicle) 또는 Hybrid 자동차의 Battery 에 의해 선정하였고, 정격 및 최대 부하 조건은 적용되는 압축기의 용량과 냉방능력에 따라 선정을 하였다.
종래 1 차 연구에서 모터사양 선정을 위한 벤치마킹 실험을 진행하였다. 그래서 전동식 압축기에 사용되는 모터의 정격 및 최대출력, 사이즈 등을 선정하였다.
설계사양을 만족하기 위해서는 슬롯수 증가에 따른 권선의 두께 및 턴수의 변경, 고정자 축 방향 길이 증가 등으로 1 차 개발 모터와 동등 출력이 가능하도록 제작하였다. 회전자의 경우, 외경, 자석 두께 등을 주요 입력변수로 설정하였다. 회전자의 변경은 고정자의 축 방향 길이 증가만큼 회전자의 축 방향 길이만을 증가하였다.

대상 데이터

종래 1 차 연구에서 모터사양 선정을 위한 벤치마킹 실험을 진행하였다. 그래서 전동식 압축기에 사용되는 모터의 정격 및 최대출력, 사이즈 등을 선정하였다. Table 1 은 1 차 연구를 통해 결정된 사양을 나타내고 있다.
10 는 권선 시 코일이 보빈에 가해지는 장력의 세기를 고려하여 집중응력 발생 부분에 대해 휨이나 부러짐의 발생을 검토하기 위하여 보빈의 장력과 변위를 검토하였다. 회전자의 재질은 35PN380 이며, 두께는 0.35 mm 이다. 시뮬레이션 결과 항복점은 0.

성능/효과

5 로 불리한 조건이며, BEMF 파형도 일그러진 정현파 형태로 상전류 절환시 제어성의 영향성으로 판단된다.⁽²⁾ 코깅토크 축소 방향으로 설계하였지만 1 차 개발모터 대비 코깅토크가 약간 높음에도 불구하고 소음이 rpm 과 토크 증가에 따른 이상증가 현상이 없어졌다. 또한 1 차 개발 모터 대비 소음저감은 정격에서 약 32.
기존의 1차 개발은 소형(직경 85 mm, 길이 51 mm), 고속(8600 rpm), 고토크(6 N·m)를 목표로 설계 되었다. 1차 개발 모터의 시험결과, 사이즈와 성능은 목표 사양을 만족할 만한 결과를 보였다. 하지만 소음과 진동이 고속에서 크게 증가하는 현상을 보였고, 소음의 경우 기계적 요인보다는 전자기적 요인에 의해 주로 발생되었다.
이를 위해서 슬롯과 극수의 조합 변경을 8 극 12 슬롯 구조로 변경하였으며 소음, 진동 저감을 위해서는 고정자 개구폭 축소와 코일두께 변경, 턴수 증가, 병렬회로수 추가등을 보완하였다. 그 결과 동손은 1 차 개발 모터 대비 약 3.5 W 저감 하였으며, 고정자에서는 계철폭과 슬롯의 증가, 촉 방향 길이 증가를 통해 철손은 1 차 개발 모터 대비 약 10.8 W 를 저감하였다.
⁽²⁾ 코깅토크 축소 방향으로 설계하였지만 1 차 개발모터 대비 코깅토크가 약간 높음에도 불구하고 소음이 rpm 과 토크 증가에 따른 이상증가 현상이 없어졌다. 또한 1 차 개발 모터 대비 소음저감은 정격에서 약 32.6 dB, 최대에서 42.5 dB 가 저감이 되었다. 향후에는 설계 및 해석과 실험의 차이를 전기적 해석뿐만 아니라 기구적 해석을 통한 정확한 원인 분석을 진행하고, 8 극 9 슬롯과 8 극 12 슬롯 모터의 정확한 소음 평가를 위하여 압축기 장착상태에서 소음,진동을 측정, 분석을 통해서 보다 개선된 모터의 제작을 하고자 한다.
하지만 부하가 2 N·m 차이에도 불구하고 2 차 개발 모터의 소음이 더 작음을 확인할 수 있다. 성능의 경우, 1 차 개발 모터가 정격에서는 효율이 약 1 %가 높으며, 최대에서는 2 차 개발 모터의 효율이 더 높게 측정되었다.
2 mesh 는 주기 경계조건을 적용하여, 1/4 모델에 대한 해석을 하였다. 전자장 해석의 정밀도를 높이기 위해 에너지가 전달되는 공극 부분의 요소를 조밀하게 분할하였으며, 모터 바깥쪽으로 누설자속 유무를 확인한 결과 누설자속은 발생하지 않음을 확인 할 수 있다.
또한 Ld, Lq 는 회전자의 기계각을 1 도씩 변화 시켜가면서 측정한 결과이다. 측정 결과 1 차 개발 모터 보다 2 차 개발 모터의 출력이 약간 높음을 확인 할 수 있다. Fig.

후속연구

5 dB 가 저감이 되었다. 향후에는 설계 및 해석과 실험의 차이를 전기적 해석뿐만 아니라 기구적 해석을 통한 정확한 원인 분석을 진행하고, 8 극 9 슬롯과 8 극 12 슬롯 모터의 정확한 소음 평가를 위하여 압축기 장착상태에서 소음,진동을 측정, 분석을 통해서 보다 개선된 모터의 제작을 하고자 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전동식 압축기의 주 구동원이 되는 모터는 어디에 큰 영향을 끼치는가?

그 중 전동식 압축기의 주 구동원이 되는 모터는 압축기의 성능, 소음, 크기, 신뢰성 등에 큰 영향을 미치며, 특히 차량용의 경우 소형 및 고출력이 요구된다. 기존의 1 차 연구에서는 이러한 사항을 만족하는 영구자석형 동기모터(PMSM)의 개발을 수행하였으며,(1) 본 2 차 연구의 목적은 1 차 연구의 결과인 소형 및 고출력 특성을 유지하면서, 소음 및 진동 특성을 개선하는 것이다.

친환경 자동차 개발 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은?

최근 지구온난화 등의 환경문제가 꾸준히 제기되어 오면서, 각국의 자동차 제조업체를 중심으로 친환경 자동차 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은 전기를 주구동원으로 하는 연료전지 및 하이브리드 차량이며, 이와 같은 차량의 공조용 압축기는 기존의 엔진 동력을 이용하는 벨트 구동식에서 차량의 Battery 전원을 이용하는 전동식으로 변화를 필요로 한다.

하이브리드 차량의 공조용 압축기는 어떠한 변화를 필요로 하는가?

최근 지구온난화 등의 환경문제가 꾸준히 제기되어 오면서, 각국의 자동차 제조업체를 중심으로 친환경 자동차 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그 중 가장 큰 관심을 받고 있는 것은 전기를 주구동원으로 하는 연료전지 및 하이브리드 차량이며, 이와 같은 차량의 공조용 압축기는 기존의 엔진 동력을 이용하는 벨트 구동식에서 차량의 Battery 전원을 이용하는 전동식으로 변화를 필요로 한다.

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