초록 ▼

핵심기술
전기구동시스템에서 우수한 성능으로 적용이 확대되고 있는 영구자석 전동기의 출력 기술 특성을 향상을 위한 설계기법을 개발하고, 신뢰성을 향상 및 전체 전기구동시스템의 지능화를 위한 고장진단 및 검출기법을 개발하는 데 있음.
최종목표
① IPM type Hybrid Motor의 설계 원천기술 개발
② IPM type Motor의 고장진단/예측 알고리즘 개발
사업내용 및 결과
● IPM type Motor 파라미터 산정기술 및 Flux Barrier에 따른 형상 설계 및 특성해석
① 회전자

핵심기술
전기구동시스템에서 우수한 성능으로 적용이 확대되고 있는 영구자석 전동기의 출력 기술 특성을 향상을 위한 설계기법을 개발하고, 신뢰성을 향상 및 전체 전기구동시스템의 지능화를 위한 고장진단 및 검출기법을 개발하는 데 있음.
최종목표
① IPM type Hybrid Motor의 설계 원천기술 개발
② IPM type Motor의 고장진단/예측 알고리즘 개발
사업내용 및 결과
● IPM type Motor 파라미터 산정기술 및 Flux Barrier에 따른 형상 설계 및 특성해석
① 회전자 형상 설계에 따른 토크 밀도증가를 위한 6극 9슬롯의 돌극집중권 IPM type BLDC 전동기의 기본모델을 대상으로 Flux barrier의 형상에 따른 형상설계 및 토크리플 저감에 대한 특성해석을 수행하였다.
● IPM type Motor의 구동방식에 따른 회전자 Notch형상 최적 설계
② 본 연구에서 회전자에 Notch를 주는 구조를 제시하였다. 회전자 자극면의 d-축 Notch는 영구자석에 의한 Radial flux density의 국부적 집중을 분산시켜 d-축에서 Radial flux density의 -3고조파에 대항하는 +3고조파를 생성하여 -3고조파의 상쇄현상을 유도하며 -3고조파의 제거에 의한 d, q-축 Radial force의 변동량을 저감할 수 있음을 확인하였다.
③ 그림 7은 본 연구에서 적용한 초기모델과 Notch모델의 성능 특성 실험 결과를 나타낸다. Notch를 적용한 모델은 초기 모델보다 효율이 약 5[%] 상승하였으며 무부하 속도는 약 150[rpm] 정도 상승하여 약 계자 영역은 증가 되었다. 이는 Notch에 의한 d-축 자속의 분산으로 인한 d-q축 인덕턴스의 차이의 증가에 따른 Reluctance torque가 증대되었기 때문이다.
④ 그림 8은 무부하 동작 시 각 모델의 Radiated EMI 특성 결과를 나타낸다. 실험결과 Notch 모델의 EMI 특성은 초기 모델보다 개선된 것을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 진동저감을 위한 제어방식의 수정은 이루어 지지 않았기 때문에 BLDC 구동 제어회로의 스위칭 주파수에 의한 200[MHz] ~ 500[MHz] 영역의 Radiated EMI 특성은 개선되지 않았다.
● IPM type Motor의 고정자 절연파괴 고장 모델링 및 특성해석
⑤ 고정자 권선 절연파괴 고장은 진동이나 단자간의 과부하, 외부물질 유입등의 전기기적 현상으로 인해 권선의 절연이 점차적으로 파괴되어 단락이 발생한다. 이러한 단락된 코일에서 열이 발생하고, 이 열은 순환전류(Circulating Current)의 제곱에 비례하여 급속히 한 상을 파괴시키기 때문에, 빠른 고장검출과 고장대응이 요구된다.
⑥ 고정자 절연파괴 고장의 현상을 분석하기 위해, 유한요소법( FEM : Finite Element Method )을 바탕으로 모델링 및 Simulation을 수행 하였다.
⑦ 단락이 발생하면, 그 지점에서 공심코일이 발생하고 회전자에 매입되어 있는 영구자석에 의해 순환전류(Circulating Current)가 유기된다. 이 순환전류의 발생은 입력전류의 왜곡현상과 자기 포화현상을 유발함을 확인하였다.
● IPM type Motor의 고정자 권선의 단락에 의한 불가역감자특성 해석
⑧ 본 연구에서는 고정자 권선의 단락을 유한요소법으로 모델링하고, 영구자석의 감자특성을 위한 모델링을 수행하였다.
● 검출권선 을 이용한 영구자석형 모터의 고정자 절연파괴 고장의 검출
⑨ 그림 4는 고장 발생시 자속밀도의 변화를 보여준다. 순환전류에 의해 발생되는 자속에 의해 단락이 발생한 권선이 감긴 치에서는 역자계 현상으로 인하여 자속 밀도가 감소한다. 그리고 단락이 발생한 상의 나머지 치의 자속밀도는 증가하여 자기포화 현상이 일어난다.
⑩ 고정자 절연파괴의 고장 분석을 통하여 자기적 특성을 확인하였고, 본 연구에서는 순환전류에 의한 자속밀도 변화를 이용한 고장 검출 기법을 제안하였다.
배경
● 최근 들어 각국의 에너지규제 심화로 인하여 여러 산업분야에서 구동원으로 사용되는 전동기는 기존의 전동기에 비하여 고출력, 고효율의 IPM형 고성능 전동기를 채용하여 제품의 성능을 개선하는 동시에 고급화/차별화 전략을 내세워 제품경쟁력 및 기술 경쟁력의 우위를 확보하려는 연구 활동이 전개되고 있는 실정임.
● IPM형 전동기는 고 출력밀도화 및 광범위 가∙변속운전이 가능한 전동기로서 영구자석 매입구조에 기인한 기계적 견고성 및 내환경성이 우수하므로 고품질 산업용 및 지능형 로봇의 구동모듈 뿐만아니라 전기자동차 및 지능형자동차의 핵심부품으로 개발의 필요성 및 고효율 설계기술에 대한 기술확보가 필요함.
● 또한 전기모터로 구동되는 전기구동시스템의 고장이 사용자의 유무형의 자산 및 에너지의 손실 및 인명피해로 까지 이어질 수 있음에 따라 전동기의 고효율화뿐만 아니라 시스템 관점에서의 에너지의 고효율 사용을 위한 고장진단/예측/대응 기술개발이 많은 관심을 받고 있음.
● 그러나 이러한 전동기의 고장진단에 관한 연구는 아직까지 유도기에 국한되어 주로 진행되었고, PM형 전동기의 경우 세계적으로도 연구초기단계이며, 국내의 경우에는 전동기에 대한 고장진단 기술개발이 거의 전무한 실정임.
● 국외의 경우에는 일부 산업용 유도전동기를 대상으로 고장진단에서 고장예측까지 가능한 연구개발 단계에 도달해있으나 최근에는 고장예측 기술에서 더 나아가 고장대응의 기술수준까지 요구하고 있음.
● 차세대 자동차, 로봇 구동모듈 부품을 포함하여 고성능/고정밀 모터의 세계적 시장은 약 20조원 규모로 지속적인 성장을 보이고 있으며, 이러한 구동모듈 시장은 보다 에너지 효율/성능의 측면에서 Smart화 요구가 더욱 커지고 있는 바, IPM형 Hybrid 전동기 및 고장진단/예측 알고리즘 까지 탑재한 구동모듈개발에 대한 원천기술확보가 반드시 필요함
핵심기술의 의의
● IPM모터는 넓은 적용분야의 확대에 따른 설계기법 및 고출력화를 위한 설계연구가 요구되고 있는 분야로서 이에 대한 설계변수에 따른 특성변화 및 IPM모터의 약점인 토크리플 저감을 위한 회전자 Notch구조를 본 연구를 통해서 제안되었다.
● 또한, 보조구동원으로서의 전기구동이 주 동력원으로서 급격하게 변화되는 추세에 맞추어, 전기모터의 고장에 따른 전체시스템의 고장 및 부하관리의 측면에서 고장의 검출 및 대응을 위해서, 본 연구에서 영구자석 모터의 고장에 따른 특성분석을 위한 모델링 기법이 개발되었고, 이를 통하여 고장에 따른 특성변화가 해석되었다.
● 뿐만 아니라 추가적인 센서나 고가의 추가적인 제어기의 추가없이 간단한 구조를 통하여 고장의 검출이 가능한 방안을 제시하였다.
● 개발된 기술들은 SCI논문 및 특허의 출원을 통하여, 기술의 독창성 및 우수성을 검증하였다.
● 개발된 기술운 국외적으로도 개발 초기에 있으며, 국내에는 관련 기술의 개발이 거의 전무하나 그 필요성이 매우커서 관련 연구가 증가되고 있는 추세이어서 최근의 중요한 개발 이슈가 되고 있는 전기자동차, 지능형자동차뿐만 아니라 각종 자동화 기기 등에 중요한 기술로서 적용될 수 있을 것이다.
적용 분야
백색가전, 공장 자동화(FA) 장비 및 생산 및 지능형 로봇용 Motor, 전기자동차 (HEV, FCEV 등) 및 각종 추진/편의장치 구동Motor 등

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 주요 연구성과 ... 18
• 목차 ... 23
• 제 1 장 서론 ... 24
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 24
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 27
• 제 3 절 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 29
• 제 2 장 내용 및 방법 ... 31
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 31
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 31
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 33
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 93
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 95
• 최종보고서 요약서 ... 96