[논문]항복 강도를 고려한 센터 포스트 간격에 따른 80KW EV용 IPM 전동기 특성에 관한 연구

김병환; 이상엽; 서강; 차창환; 원종식; 강병희

[국내논문] 항복 강도를 고려한 센터 포스트 간격에 따른 80KW EV용 IPM 전동기 특성에 관한 연구
A Study on Motor Characteristic with varying Center Post Length considering Yield Strength of 80KW IPMSM for EV Traction Motor 원문보기

김병환 ((주) 효성 중공업 연구소 회전기 연구팀) , 이상엽 (서울대학교 전기컴퓨터 공학부) , 서강 ((주) 효성 중공업 연구소 EV Motor 연구팀) , 차창환 ((주) 효성 중공업 연구소 회전기 연구팀) , 원종식 ((주) 효성 중공업 연구소 회전기 연구팀) , 강병희 ((주) 효성 중공업 연구소 회전기 연구팀)

전기 자동차용 전동기는 고출력, 소형화, 제어의 용이성 등으로 인해 영구자석형 전동기를 많이 채택하고 있는 추세이다. 이 중 IPM 전동기는 출력 특성 및 제어의 용이성으로 인해 많이 사용되고 있다. 특히 IPMSM을 EV용으로 적합하게 사용할 수 있도록 학계 및 산업계에서 전동기의 출력 개선, 열적 문제 해결, 구조 강도 문제 해결 등의 노력을 진행해왔다. 이 논문에서는 항복 강도를 고려하여 영구자석 센터 포스트 간격을 변화시키면서 전동기의 출력 특성을 살펴보았다.

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문제 정의

자석 위치 배열에 있어 센터 포스트 길이는 동작 특성에 영향을 주는 변수 중 하나이다. 이 논문에서는 IPM 전동기의 센터 포스트 간격에 따른 특성 변화와 길이 변화에 따른 항복 강도 등의 구조 강도 해석 결과를 살펴보았다.
본 논문에서는 전기자동차에 적합하게 설계된 80KW 용량의 IPMSM을 이용하여 전자계 해석 및 구조 해석을 진행하였다. 설계된 IPMSM의 사양은 <표 1>과 같다.

제안 방법

5mm이다. 센터 포스트1 간격을 1mm에서 0.4mm까지 0.2mm간격으로 줄였으며 동시에 센터 포스트2 간격은 2.5mm에서 0.5mm간격으로 1.0mm까지 줄여가며 해석을 진행하였다. 그림 3과 그림 4에 센터 포스트 간격 변화에 따른 토크 및 토크 리플 변화를 나타내었다.
센터 포스트 길이가 좁을수록 전동기의 특성이 향상 된다는 것을 전자기적 해석을 통해 알아보았다. 최적의 센터 포스트 길이를 도출하기 위하여 재질의 물성 값을 고려해 최대속도 11500RPM에서 구조강도 해석을 실시하였다.
센터 포스트 길이가 좁을수록 전동기의 특성이 향상 된다는 것을 전자기적 해석을 통해 알아보았다. 최적의 센터 포스트 길이를 도출하기 위하여 재질의 물성 값을 고려해 최대속도 11500RPM에서 구조강도 해석을 실시하였다. 구조강도 해석을 위한 모델링을 그림 6에 나타내었다.
본 전동기 모델 코어는 35PN210을 사용하였고 이 재질의 항복 강도는 440MPa이다. 센터 포스트 간격을 줄여가면서 센터 포스트에 걸리는 응력을 해석을 통해 도출하였다. 항복 응력 해석 결과는 다음과 같다.
80KW급 EV용 IPMSM에 대하여 센터 포스트 길이에 따라 전자계 해석 및 구조강도 해석을 실시하였다. 전자계 해석을 통해 센터 포스트 간격이 좁을수록 전동기의 동작 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 토크리플과 역기전력의 경우 센터 포스트 간격 1보다는 센터 포스트 간격 2와의 상관관계가 더 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 구조 해석을 통해 안전율을 통하여 센터 포스트 간격의 구조적인 한계 간격을 확인하였다. 이러한 결과는 상세 설계에 있어서 기준 값으로 활용이 가능하다.

대상 데이터

기본 모델은 센터 포스트1의 간격이 1mm이고 센터 포스트 2의 간격은 2.5mm이다. 센터 포스트1 간격을 1mm에서 0.
본 전동기 모델 코어는 35PN210을 사용하였고 이 재질의 항복 강도는 440MPa이다. 센터 포스트 간격을 줄여가면서 센터 포스트에 걸리는 응력을 해석을 통해 도출하였다.

성능/효과

이러한 조건을 만족시키기 위해 영구자석형 전동기를 차량용으로 개발하려는 노력이 활발히 진행되고 있다.[2] 영구자석 전동기는 회전자 자석 배열에 따라 SPM 및 IPM으로 구분할 수 있다. SPM의 경우 자기회로가 대칭이기 때문에 d축, q축 인덕턴스는 동일하며 자기저항에 의한 Reluctance 토크는 발생하지 않는다.
또한 고정자 권선에 의해 발생하는 열을 영구자석이 직접적으로 전달받지 않으므로 온도변화에 의한 감자에도 유리하다.[3] IPM의 Reluctance 토크는 자기저항에 의해 변화되는데 이는 자석 위치 배열에 의해 영향을 받는다. 자석 위치 배열에 있어 센터 포스트 길이는 동작 특성에 영향을 주는 변수 중 하나이다.
그림 3과 그림 4에 센터 포스트 간격 변화에 따른 토크 및 토크 리플 변화를 나타내었다. 앞서 언급한 바와 같이 센터 포스트1과 센터 포스트 2의 간격이 좁아질수록 전동기의 토크 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 즉 센터 포스트 간격1과 센터 포스트 간격 2는 전동기 토크에 모두 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
해석 결과 안전율을 고려할 때 센터 포스트 간격1과 2가 각각 0.6, 1.5mm 일 때 전동기 출력 특성이 우수하고 안전율을 고려할 때 구조적으로 문제가 없는 것으로 나타났다.
80KW급 EV용 IPMSM에 대하여 센터 포스트 길이에 따라 전자계 해석 및 구조강도 해석을 실시하였다. 전자계 해석을 통해 센터 포스트 간격이 좁을수록 전동기의 동작 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 토크의 경우 센터 포스트 간격 1과 센터 포스트 간격2에 따라 특성 변화가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다.
특히 토크의 경우 센터 포스트 간격 1과 센터 포스트 간격2에 따라 특성 변화가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 토크리플과 역기전력의 경우 센터 포스트 간격 1보다는 센터 포스트 간격 2와의 상관관계가 더 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 구조 해석을 통해 안전율을 통하여 센터 포스트 간격의 구조적인 한계 간격을 확인하였다.

후속연구

이번 연구에서는 전동기의 동작 특성만을 살펴보았지만 철심 포화에 따른 효율에 대한 연구가 병행되어 상세 설계가 진행되어야한다. 또한 열 유동 해석 결과를 추가해 코어 포화에 따른 열 발생 문제도 검증해야 할 것이다.
이번 연구에서는 전동기의 동작 특성만을 살펴보았지만 철심 포화에 따른 효율에 대한 연구가 병행되어 상세 설계가 진행되어야한다. 또한 열 유동 해석 결과를 추가해 코어 포화에 따른 열 발생 문제도 검증해야 할 것이다.

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