[논문]영구자석 형상에 따른 전기 스쿠터용 IPMSM 특성 고찰

김미정; 김원호; 장익상; 이기덕; 이재준; 한정호; 정태철; 채웅찬; 이주

영구자석 형상에 따른 전기 스쿠터용 IPMSM 특성 고찰
Study of IPMSM characteristic for electric scooter according to the shape of permanent magnet 원문보기

김미정 (한양대학교) , 김원호 (한양대학교) , 장익상 (한양대학교) , 이기덕 (한양대학교) , 이재준 (한양대학교) , 한정호 (한양대학교) , 정태철 (한양대학교) , 채웅찬 (한양대학교) , 이주 (한양대학교)

최근 레저와 이동수단으로 전기를 이용한 스쿠터와 자전거가 많이 연구 개발되고 있다. 이러한 어플리케이션에 사용되는 모터의 경우은 설계 및 제어 비용이 저렴하면서도 소음이 작고, 출력밀도와 효율이 요구가 된다. 대부분의 경우 BLDC가 전동기 및 제어기 제작 단가가 저렴하여 자전거 및 스쿠터의 전기 추진용으로 많이 사용되었지만 소음 및 효율등의 성능면에서는 요구사항을 만족하지 못하고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 현재 출력밀도와 효율이 높은 IPMSM이 많이 연구 개발되고 있다. 본 논문에서는 전기 스쿠터용 IPMSM의 영구자석 형상에 따른 특성을 연구하였다.

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문제 정의

본 논문에서 전기 스쿠터 추진용 IPMSM의 영구자석 형상에 따른 특성을 알아보았다. 영구자석의 형상은 V 타입과 바 타입으로 하여 비교하였으며 각 타입별 영구자석 사용량은 동일하게 하였다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 현재 출력밀도와 효율이 높은 IPMSM이 많이 연구 개발되고 있다. 본 논문에서는 전기 스쿠터용 IPMSM의 영구자석 형상에 따른 특성을 연구하였다.

제안 방법

전기자전거나 스쿠터의 경우 전기 자동차에 비해 전동기가 차지하는 무게의 비율이 크다. 따라서 전동기의 크기를 최소화하여 전체 무게를 줄이기 위해 고정자 외경과 적층길이 250mm와 30mm로 제한을 두었다.
영구자석 형상에 따른 IPMSM의 특성을 알아보기 위해 그림 2과 같이 바 타입과 V타입으로 설계를 진행하였다. 영구자석 형상에 따른 특성을 알아보기 위해 각 타입의 영구자석 사용량은 동일하게 하여 설계하였으며 고정자의 형상 및 권선 사양도 동일하게 하여 결과를 확인하였다.
영구자석 형상에 따른 IPMSM의 특성을 알아보기 위해 그림 2과 같이 바 타입과 V타입으로 설계를 진행하였다. 영구자석 형상에 따른 특성을 알아보기 위해 각 타입의 영구자석 사용량은 동일하게 하여 설계하였으며 고정자의 형상 및 권선 사양도 동일하게 하여 결과를 확인하였다.
최고 등판각 30%에서 18km/h로 운전하며 최대 80km/h의 속도로 운전 할 수 있는 전동기를 설계하기 위해서 부하토크를 고려하여 표 1과 같이 설계 사양을 결정하였다. 그림 1은 기어비를 고려하여 실제 motor에서의 속도-토크 곡선을 나타내고 있다.

성능/효과

영구자석의 형상은 V 타입과 바 타입으로 하여 비교하였으며 각 타입별 영구자석 사용량은 동일하게 하였다. 고정자의 형상과 권선 사양 및 입력 전류를 동일하게 하여 두 모델의 특성을 보면 V 타입의 무부하 역기전력 및 최고속에서의 유기기전력의 고조파 특성이 바 타입보다 좋게 나왔으며 이는 기저속도 및 최고속도에서의 토크리플에도 영향을 주어 V 타입의 IPMSM이 바 타입 IPMSM 보다 토크리플율이 낮게 나오는 것을 확인 하였다. 반면 영구자석의 사용량은 동일하더라도 실제 공극자속밀도에 크게 영향을 미치는 영구자석의 길이가 V 타입이 바 타입보다 더 길기 때문에 역기전력 및 토크 레벨에서 더 높게 나오는 것을 확인하였다.
반면 영구자석의 사용량은 동일하더라도 실제 공극자속밀도에 크게 영향을 미치는 영구자석의 길이가 V 타입이 바 타입보다 더 길기 때문에 역기전력 및 토크 레벨에서 더 높게 나오는 것을 확인하였다. 낮은 자속 레벨에 의해 철손, 와류손이 적은 바 타입의 IPMSM이 V 타입보다 효율이 높게 나타였다. 두 모터의 효율이 1~2 % 차이가 나나 동일 출력을 내기 위한 영구자석 사용량과 고조파 영향에 의한 토크 리플 등을 비교해 볼 때 V 타입의 IPMSM이 더 적합하다.
낮은 자속 레벨에 의해 철손, 와류손이 적은 바 타입의 IPMSM이 V 타입보다 효율이 높게 나타였다. 두 모터의 효율이 1~2 % 차이가 나나 동일 출력을 내기 위한 영구자석 사용량과 고조파 영향에 의한 토크 리플 등을 비교해 볼 때 V 타입의 IPMSM이 더 적합하다.
고정자의 형상과 권선 사양 및 입력 전류를 동일하게 하여 두 모델의 특성을 보면 V 타입의 무부하 역기전력 및 최고속에서의 유기기전력의 고조파 특성이 바 타입보다 좋게 나왔으며 이는 기저속도 및 최고속도에서의 토크리플에도 영향을 주어 V 타입의 IPMSM이 바 타입 IPMSM 보다 토크리플율이 낮게 나오는 것을 확인 하였다. 반면 영구자석의 사용량은 동일하더라도 실제 공극자속밀도에 크게 영향을 미치는 영구자석의 길이가 V 타입이 바 타입보다 더 길기 때문에 역기전력 및 토크 레벨에서 더 높게 나오는 것을 확인하였다. 낮은 자속 레벨에 의해 철손, 와류손이 적은 바 타입의 IPMSM이 V 타입보다 효율이 높게 나타였다.

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