[논문]영구자석 사용량 저감과 최대출력 확보를 위한 HEV 구동용 IPMSM의 형상설계

정재우; 이태근; 이정종; 이근호; 홍정표; 김기남

영구자석 사용량 저감과 최대출력 확보를 위한 HEV 구동용 IPMSM의 형상설계
Shape Design of IPMSM for HEV Traction Motor to Reduce Usage of Permanent Magnet and to Ensure Maximum Output Power 원문보기

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

일반적으로 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석의 사용량이 많을수록 돌극비를 향상 시킬 수 있으므로 발생토크 중 릴럭턴스 토크의 비중을 키울 수 있다. 이는 토크 발생 시 입력전류를 저감시켜 동손이 감소하고 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. 하지만 최근에 희토류계 영규자석의 가격 상승으로 인하여 영구자석 형 전동기 개발에 있어 제약이 따르는 상황이며 가격 경쟁력을 위하여 영구자석의 사용량을 저감시키는 노력을 기울이고 있다. 본 논문에서는 HEV 구동용 매입형 영구자석 동기전동기를 대상으로 영구자석 사용량 저감 설계에 대하여 다루고자 한다. 영구자석 사용량 저감은 영구자석의 두께를 변경시켜서 검토하였으며 실험을 통한 영구자석의 감자특성을 검토하여 최적의 두께를 결정하였다. 영구자석 두께 저감에 따라 감소한 최대출력 확보를 위하여 회전자의 형상설계를 기계적 구조해석과 병행하여 수행하였다. 최종으로 설계된 모델의 특성은 Prototype과 비교하여 성능만족 여부 및 영구자석 사용량 변화를 확인하였다.

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문제 정의

HEV 구동용 IPMSM의 양산 시 가격 경쟁력 확보를 위하여 영구자석 사용량을 저감과 성능 유지를 동시에 만족시키는 설계 방법에 대하여 다루었다. 영구자석 사용량 저감은 전동기의 성능 저하를 동반하지만 실험을 통한 최적의 영구자석 두께와 기계적 구조해석을 적용하는 설계를 통하여 영구자석의 사용량을 감소시키면서 Ptototype과 비교하여 동등 이상 수준의 출력을 확보하는 설계를 수행하였다.
본 논문에서는 HEV 구동용 IPMSM의 가격 경쟁력 확보를 위하여 기존의 성능을 유지시키는 동시에 영구자석 사용량을 저감시키는 설계에 대하여 다루었다. 영구자석 불가역 감자 실험을 통한 영구자석 두께 결정과 영구자석 사용량 저감에 따른 성능확보를 기계적 구조해석과 병행하여 검토했고 설계된 최종모델과 Prototype의 영구자석 사용량 및 특성을 비교하여 설계에 타당성을 검증하였다.

제안 방법

2.5 회전자의 rib 설계 영구자석의 불가역 감자 실험을 통하여 영구자석의 두께를 0.3mm 저감시키는 것으로 결정하였다. 그림 3에서 보는바와 같이 영구자석 두께 변경으로 인하여 전동기의 전반적인 특성은 감소하는 경향을 보인다.
최대운전속도 6000rpm로 회전시키면서 최대토크 205Nm를 만족시키는 전류를 d축으로 약 1분 동안 인가한다. 그 후 역기전력을 측정하여 실험 전, 후의 역기전력 크기를 비교하는 방법으로 실험을 수행하였다. 실험 결과 영구자석의 두께를 0.
하지만 해석상으로 영구자석의 불가역 감자를 예측하는 일은 영구자석 내부 온도 예측의 불확실로 인하여 많은 어려움이 있다. 그러므로 본 논문에서 다루고 있는 설계에서는 영구자석을 두께별로 시제품을 제작하여 감자시험을 수행하여 최적의 영구자석의 두께를 결정하였다.
최소한의 변경을 통한 설계를 수행 하는 동시에 영구자석 사용량 저감을 위하여 영구자석의 두께를 저감시키는 방향으로 검토하였다. 기존의 영구자석 두께에서 0.3mm, 0.5mm 감소시켜서 전기적 특성을 분석하는 동시에 영구자석 두께 별 시제품을 제작하여 감자실험을 수행하였다. 영구자석 두께 변경으로 생기는 전동기의 성능저감은 회전자의 rib 형상 설계를 통하여 성능을 기존 수준으로 유지시켰다.
본 논문에서는 HEV 구동용 IPMSM의 가격 경쟁력 확보를 위하여 기존의 성능을 유지시키는 동시에 영구자석 사용량을 저감시키는 설계에 대하여 다루었다. 영구자석 불가역 감자 실험을 통한 영구자석 두께 결정과 영구자석 사용량 저감에 따른 성능확보를 기계적 구조해석과 병행하여 검토했고 설계된 최종모델과 Prototype의 영구자석 사용량 및 특성을 비교하여 설계에 타당성을 검증하였다.
HEV 구동용 IPMSM의 양산 시 가격 경쟁력 확보를 위하여 영구자석 사용량을 저감과 성능 유지를 동시에 만족시키는 설계 방법에 대하여 다루었다. 영구자석 사용량 저감은 전동기의 성능 저하를 동반하지만 실험을 통한 최적의 영구자석 두께와 기계적 구조해석을 적용하는 설계를 통하여 영구자석의 사용량을 감소시키면서 Ptototype과 비교하여 동등 이상 수준의 출력을 확보하는 설계를 수행하였다. 본 설계 방법으로 영구자석은 약 4% 저감시키는 효과를 보았으며 HEV 양산 시 가격 경쟁력 측면에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
영구자석 두께 변경으로 생기는 전동기의 성능저감은 회전자의 rib 형상 설계를 통하여 성능을 기존 수준으로 유지시켰다. 이 때 회전자 rib의 변경에 따라 원심력의 허용치를 초과하는지의 여부를 확인하기 위하여 구조해석을 병행하였으며 전기적 특성의 해석에는 d-q축 등가회로 해석이 적용되었다[3].
그림 2는 설계 과정을 간략하게 보여준다. 최소한의 변경을 통한 설계를 수행 하는 동시에 영구자석 사용량 저감을 위하여 영구자석의 두께를 저감시키는 방향으로 검토하였다. 기존의 영구자석 두께에서 0.

대상 데이터

해석 대상모델은 HEV 구동용 IPMSM으로써 주요 사양은 표 1과 같다. 16극 24슬롯 구조에 최대출력이 30kW이며 최대토크는 205Nm이다.

데이터처리

2mm 얇아짐으로써 누설자속이 줄어들고 역기전력이 증가함과 동시에 특성전류가 증가하여 최대 출력이 Prototype과 동등수준 이상으로 확보되는 것을 볼 수 있다. 고속회전 시 회전자에 작용하는 원심력을 상용 프로그램인 ANSYS 11을 사용하여 해석하였다. 그림 6의 결과와 같이 회전자에 작용하는 최대응력은 6000rpm에서 155.
식 (1)-(2)는 회전 시 로터에 작용하는 응력에 관한 수식이다. 좀 더 정확한 응력을 알기 위해서 유한요소해석 툴인 ANSYS 11을 사용하였다.

성능/효과

5mm를 감소시킨 경우 그림 4에서 보는바와 같이 약 3%의 감자가 발생하였다. 그러므로 영구자석의 두께를 0.3mm 줄이는 것으로 결정하였으며, 이때 영구자석 사용량은 Prototype에 비해 약 4% 감소시키는 효과를 볼 수 있다.
영구자석 사용량 저감은 전동기의 성능 저하를 동반하지만 실험을 통한 최적의 영구자석 두께와 기계적 구조해석을 적용하는 설계를 통하여 영구자석의 사용량을 감소시키면서 Ptototype과 비교하여 동등 이상 수준의 출력을 확보하는 설계를 수행하였다. 본 설계 방법으로 영구자석은 약 4% 저감시키는 효과를 보았으며 HEV 양산 시 가격 경쟁력 측면에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
그 후 역기전력을 측정하여 실험 전, 후의 역기전력 크기를 비교하는 방법으로 실험을 수행하였다. 실험 결과 영구자석의 두께를 0.3mm 감소시킨 경우 영구자석의 감자현상은 일어나지 않았지만 0.5mm를 감소시킨 경우 그림 4에서 보는바와 같이 약 3%의 감자가 발생하였다. 그러므로 영구자석의 두께를 0.
1mm로 변경 시켰을 경우 전기적 특성 변화를 보여준다. 회전자의 rib이 0.2mm 얇아짐으로써 누설자속이 줄어들고 역기전력이 증가함과 동시에 특성전류가 증가하여 최대 출력이 Prototype과 동등수준 이상으로 확보되는 것을 볼 수 있다. 고속회전 시 회전자에 작용하는 원심력을 상용 프로그램인 ANSYS 11을 사용하여 해석하였다.

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