[논문]약계자 영역을 고려한 온라인 전기버스용 영구자석 전동기의 특성산정 연구

손락원; 이종인; 김완기; 김근웅

약계자 영역을 고려한 온라인 전기버스용 영구자석 전동기의 특성산정 연구
Study on the characteristic estimation of Permanent Magnet Synchronous Motor for On-Line Electric Vehicle considering field weakening region 원문보기

손락원 (현대중공업 기계전기연구소) , 이종인 (현대중공업 기계전기연구소) , 김완기 (현대중공업 기계전기연구소) , 김근웅 (현대중공업 기계전기연구소)

온라인 전기버스용 전동기는 차량의 운전특성을 고려하여 가속성 향상을 위한 높은 기동토크가 요구되며, 넓은 속도영역 운전을 위한 약계자 제어성능이 우수해야 한다. 특히 전동기의 최대 동작속도가 배터리 전압에 의해 결정되므로, 고속 운전영역 확보를 위해 전압제한을 고려한 전기설계가 필요하다. 본 연구에서는 정격속도 대비 최대속도의 비가 1:4로서 넓은 약계자 영역이 요구되는 온라인 전기버스용 전동기에 대해 개념설계를 진행하여 Active Part의 치수를 산출하고, 고정자 권선의 턴수 및 회전자 형상 변화에 따른 전압 및 출력특성을 비교 분석하여, 온라인 전기버스용 전동기에 요구되는 약계자 제어특성을 만족하도록 설계안을 도출하였다. 또한 전동기의 고속 동작시 주 손실인 철손에 의한 온도상승을 고려하여 영구자석의 감자안정성을 분석하였으며, 전자장 FEM 해석을 적용하여 설계결과의 타당성을 검증하였다.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 전동기의 약계자 제어특성을 고려하여 고정자 권선설계 및 회전자 형상변화에 따른 특성 분석을 다루었다. 또한 전동기의 고속 동작시 주 손실인 철손에 의한 온도 상승을 고려하여, 영구자석의 감자안정성을 분석함으로써 온라인 전기버스용 전동기에 적절한 설계안을 도출하였다.
본 논문은 정토크 대비 정출력 구간이 1:4로서 넓은 약계자 영역에서 구동되는 온라인 전기버스용 영구자석 동기전동기에 대해, 고정자 권선 설계 및 영구자석 배치형상에 따른 특성을 비교·분석하였다.

제안 방법

매입형 영구자석 동기전동기는 회전자 내부의 영구자석 배치에 따라 d축과 q축 자기회로가 변하게 되므로, 코깅 토크와 토크 리플 등의 고조파 특성 및 제작성과 조립성을 고려한 회전자 형상설계가 필요하다.[1] 온라인 전기버스용 전동기에 적합한 회전자 형상을 검토하기 위해, 그림 2와 같이 4가지의 회전자 형상을 설계하였다. 기본설계를 통해 선정된 기준 모델은 모델 1이며, 모델 1에 대해 Rib의 폭을 변경하여 모델 2를 도출하였다.
[1] 온라인 전기버스용 전동기에 적합한 회전자 형상을 검토하기 위해, 그림 2와 같이 4가지의 회전자 형상을 설계하였다. 기본설계를 통해 선정된 기준 모델은 모델 1이며, 모델 1에 대해 Rib의 폭을 변경하여 모델 2를 도출하였다. 또한 모델 3과 4는 모델 2 대비 영구자석을 각각 2개와 3개로 분할한 모델이다.
이를 위해 최고속도에서 고정자 권선의 직렬턴수 변화에 따른 단자전압의 추이를 분석하였고, 그 결과를 그림 1에 제시하였다. 단자전압 제한치를 만족하는 13턴 이하의 직렬턴수에 대해 기본설계안을 도출하였으며, 주요 설계사 양은 표 1과 같다.
온라인 전기버스용 전동기에 요구되는 약계자 특성을 만족시키는 동시에 릴럭턴스 토크를 유효하게 사용하기 위해, 영구자석을 회전자 내부에 삽입하는 매입형 타입의 회전자 구조를 채택하였다. 또한 고속운전시 회전자 표면의 강성을 고려하여 회전자의 외경 및 브리지부 두께를 선정하였으며, 등가자기회로법을 이용하여 전동기의 Active Part에 대한 기본적인 치수를 산출하였다. 최고 회전속도에서 전동기의 제어 가능성을 확보하기 위해서는 약계자 제어시 배터리 전압 범위 내에서 전동기의 단자전압이 결정되어야 하므로, 단자전압 제한을 고려한 고정자 권선설계가 필요하다.
본 논문에서는 전동기의 약계자 제어특성을 고려하여 고정자 권선설계 및 회전자 형상변화에 따른 특성 분석을 다루었다. 또한 전동기의 고속 동작시 주 손실인 철손에 의한 온도 상승을 고려하여, 영구자석의 감자안정성을 분석함으로써 온라인 전기버스용 전동기에 적절한 설계안을 도출하였다. 이때 각 설계안에 대해 전자계 FEM 해석을 적용하여 설계 결과의 신뢰성 및 타당성을 검증하였다.
본 논문은 정토크 대비 정출력 구간이 1:4로서 넓은 약계자 영역에서 구동되는 온라인 전기버스용 영구자석 동기전동기에 대해, 고정자 권선 설계 및 영구자석 배치형상에 따른 특성을 비교·분석하였다. 또한 최고 속도 동작시 온도상승을 고려한 감자안정성 분석을 통해, 각 설계안의 신뢰성 및 타당성을 검증하였다. 본 연구결과는 넓은 약계자 영역을 가지는 영구자석형 추진 전동기의 설계시 도움이 될 것으로 판단된다.
영구자석의 감자발생 유 무는 영구자석 동기전동기의 수명과 직결되는 중요한 설계인자이므로[2], 전동기의 고속 동작시 주 손실인 철손에 의한 온도 상승을 고려하여 영구자석의 감자안정성을 검토하였다. 먼저 전동기의 최고속도 동작시 온도특성을 분석한 결과를 그림 6에 제시하였으며, 영구자석의 최고온도는 약 140°C 수준으로 계산되었다.
먼저 전동기의 최고속도 동작시 온도특성을 분석한 결과를 그림 6에 제시하였으며, 영구자석의 최고온도는 약 140°C 수준으로 계산되었다. 영구자석의 최고온도에 대해 인버터의 최대전류가 영구자석의 d축에 인가되는 조건을 기준으로 영구자석의 안정성을 분석하였다. 각 모델의 영구자석 상부와 하부표면에 대해 자속밀도 분포를 분석한 결과를 그림 7에 제시하였으며, 모델 4의 영구자석3은 다른 영구자석에 비해 자속밀도가 높으므로 생략하였다.
온라인 전기버스용 전동기에 요구되는 약계자 특성을 만족시키는 동시에 릴럭턴스 토크를 유효하게 사용하기 위해, 영구자석을 회전자 내부에 삽입하는 매입형 타입의 회전자 구조를 채택하였다. 또한 고속운전시 회전자 표면의 강성을 고려하여 회전자의 외경 및 브리지부 두께를 선정하였으며, 등가자기회로법을 이용하여 전동기의 Active Part에 대한 기본적인 치수를 산출하였다.
또한 모델 3과 4는 모델 2 대비 영구자석을 각각 2개와 3개로 분할한 모델이다. 이때, 각 모델의 영구자석 체적 및 극간격 대비 영구자석 폭의 비율인 극호비를 동일한 수준으로 설계하였으며, 무부하시 각 모델의 역기전력 파형 및 고조파 분석결과를 그림 3과 표 2에 제시하였다. 역기전력 파형을 분석한 결과, 모델 3과 4의 THD가 모델 1 대비 약 70% 수준이므로, 제어성 및 고조파 특성이 양호한 수준임을 알 수 있다.

데이터처리

또한 전동기의 고속 동작시 주 손실인 철손에 의한 온도 상승을 고려하여, 영구자석의 감자안정성을 분석함으로써 온라인 전기버스용 전동기에 적절한 설계안을 도출하였다. 이때 각 설계안에 대해 전자계 FEM 해석을 적용하여 설계 결과의 신뢰성 및 타당성을 검증하였다.

성능/효과

또한 출력특성을 간략히 정리한 표 5로부터 출력비는 2> 3 > 4 >1의 순서로서, 동일한 고정자 기자력이 인가되는 조건에서 모델 2의 출력밀도가 가장 높은 것을 확인하였다.
이때, 각 모델의 영구자석 체적 및 극간격 대비 영구자석 폭의 비율인 극호비를 동일한 수준으로 설계하였으며, 무부하시 각 모델의 역기전력 파형 및 고조파 분석결과를 그림 3과 표 2에 제시하였다. 역기전력 파형을 분석한 결과, 모델 3과 4의 THD가 모델 1 대비 약 70% 수준이므로, 제어성 및 고조파 특성이 양호한 수준임을 알 수 있다.

후속연구

또한 최고 속도 동작시 온도상승을 고려한 감자안정성 분석을 통해, 각 설계안의 신뢰성 및 타당성을 검증하였다. 본 연구결과는 넓은 약계자 영역을 가지는 영구자석형 추진 전동기의 설계시 도움이 될 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

약계자 영역을 고려한 온라인 전기버스용 영구자석 전동기의 특성산정 연구
Study on the characteristic estimation of Permanent Magnet Synchronous Motor for On-Line Electric Vehicle considering field weakening region 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

약계자 영역을 고려한 온라인 전기버스용 영구자석 전동기의 특성산정 연구 Study on the characteristic estimation of Permanent Magnet Synchronous Motor for On-Line Electric Vehicle considering field weakening region 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

데이터처리

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

약계자 영역을 고려한 온라인 전기버스용 영구자석 전동기의 특성산정 연구
Study on the characteristic estimation of Permanent Magnet Synchronous Motor for On-Line Electric Vehicle considering field weakening region 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper