만 구조적인 특성까지 고려한다면 센터포스트의 폭을 0.2[mm]이상으로 선택하여 일반적인 기기의 적절한 안전계수인 1.3 이상으로 가져가는 것 이 안전함을 확인할 수 있었다.표 6에 결과 비교를 나타내었다.
Table6.A ComparisononResults
구 분 Air-barrier폭 조절에 의한 방법
영구자석과 Air-barrier 이동에 의한 방법 Widthofcenterpost 1.0[mm] 0.2[mm] 1.0[mm] 0.2[mm]
Cogging torque
Maximum cogging
torque
0.93[Nm] 0.94[Nm] 0.93[Nm] 1.05[Nm]
cogging torque pk-pk
2.03[Nm] 2.01[Nm] 2.03[Nm] 1.98[Nm]
cogging torque pk-average
2.87[%] 2.79[%] 2.87[%] 2.74[%]
Torque
Maximum
torque 71.94[Nm] 73.48[Nm] 71.94[Nm] 74.07[Nm]
Torque ripple pk-pk
7.29[Nm] 7.42[Nm] 7.29[Nm] 8.00[Nm]
Torque ripple pk-average
10.32[%] 10.29[%] 10.32[%] 11.09[%]
Stress
Maximum stress
200.127 [Mpa]
448.58 [Mpa]
200.127 [Mpa]
447.72 [Mpa]
Safety
factor 2.19 0.98 2.19 0.98
Ⅴ.결 론
EV용 견인 전동기로 각광을 받고 있는 매입형 영구자석 동기전동기 (InteriorPermanentMagnetSynchronousMotor:IPMSM)는 단위 체적 당 출력이 증가하는 장점이 있는 반면,전동기의 회전자는 부하기계와 직 결되어 고속으로 회전하기 때문에 안정적인 응력이 분포하여야 하며 위험 속도에서도 충분히 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.
또한,매입형 영구자석 전동기는 고속 운전 시 영구자석과 철심을 지지 하는 센터포스트와 브릿지 부분이 원심력에 의한 응력으로 인해 파괴될 수 있기 때문에 정확한 응력해석이 필요하며 충분한 안전계수를 보장하는 회전자의 기계적 설계가 요구된다.
이에 본 논문에서는 최근 EV용 견인 전동기에서 요구되고 있는 성능에 따라 고속 운전영역에서 센터포스트 폭에 따른 전자계 해석 및 응력해석 을 수치해석 방법 중 하나인 2차원 유한요소법을 이용하여 진행하였다.
센터포스트의 폭은 Air-barrier 폭 조절에 의한 방법과 영구자석과 Air-barrier이동에 의한 방법으로 조절하였다.그 결과,Air-Barrier폭 조절에 의한 방법으로 센터포스트의 폭을 조절할 경우 센터포스트 폭이 0.2[mm]일 때의 코깅 토크 최대값은 기본 모델과 동일하게 0.94[Nm]이 발생하였다.
하지만,영구자석과 Air-barrier이동에 의한 방법으로 센터포스트를 조 절할 경우 센터포스트의 폭이 0.2[mm]일 때의 코깅 토크 최대값은 1.05[Nm]이 발생하였다.이로써 영구자석과 Air-barrier이동에 의한 방법 은 센터포스트의 폭이 좁을 수록 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.최대 토크는 센터포스트이 폭이 0.2[mm]인 모델의 경우 Air-barrier폭 조절에
상승하였고,영구자석과 Air-barrier이동에 의한 방법은 74.07[Nm]이 발 생되어 기본모델보다 2.13[Nm]상승하였다.이와 같은 결과를 통해 영구 자석과 Air-barrier이동에 의한 방법이 Air-barrier폭 조절에 의한 방법 보다 센터포스트의 폭이 좁을 수록 전동기의 동작특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.또한 응력해석을 통해 Air-barrier폭 조절에 의한 방 법과 영구자석과 Air-barrier이동에 의한 방법 모두 센터포스트의 폭이 0.2[mm]일 때 회전자에 사용된 항복강도인 440[Mpa]보다 높게 발생됨을 확인하였다.따라서 센터포스트의 폭을 0.2[mm]이상으로 설계하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 기계적 피로를 고려하여 IPMSM의 회전자 특성 해석을 수행하였다.IPMSM 최적설계 시 이와 같은 결과와 통합하여 수행하게 되면 더욱 향상된 전동기의 설계기술을 확립하고 그에 따른 안정성을 확 보할 수 있으리라 사료된다.
참 고 문 헌
[1]T.Heikkia,"PermanentMagnetSynchronous MotorforIndustrial Inverter Applications - Analysis and Design", Ph. D. Thesis, LapeenrantaUniversityofTechnology
[2]K.C.Kim,S.B.Lim,D.H.Koo,and J.Lee,"TheShapeDesign ofPermanentMagnetfor PermanentMagnetSynchronous Motor Considering PartialDemagnetization," IEEE Trans.on Magnetics, Vol.42,No.10,pp.3485-3487,2006.
[3]임진우,“운전특성을 고려한 차량용 매입형 영구자석 동기전동기의 특 성 및 손실해석”,동아대학교 대학원 석사학위논문,2011.
[4]D.H.Cho,J.K.Kim,H.K.Jung,C.G.Lee,"OptimalDesign of Permanent-Magnet Motor using Auto Tuning Niching Genetic Algorithm", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 39, No. 3, pp.
1265-1268,2006.
[5]D.Pavlik,V.K.Garg,J.R.Repp,J.Weiss,"A Finite Element Technique for Calculating the Magnet Sizes & Inductances of PermanentMagnetMachine",IEEE Trans.Energy Conv.,Vol.3, No.1,pp.116-122,1998.
[6]D.H.Cho,H.K.Jung,T.K.Chung,C.G.Lee,"Design ofa Short-time Rating Interior PermanentMagnetSynchronous Motor using a Niching Genetic Algorithm",IEEE Trans.on Magnetics, Vol. 36,No.4,pp.1936-1940,2000.
[7]S.Y.Kwak,J.K.Kim,H.K.Jung,"Characteristic Analysis of Multilayer-Buried Magnet Synchronous Motor Using Fixed Permeability Method",IEEE Trans.EnergyConv.,Vol.20,No.3,pp.
549-555,2005.
[8] Z. Q. Zhu, David Howe, "Influence of Design Parameter on Cogging Torque in Permanent Magnet Machines",IEEE Trans.
EnergyConv.,Vol.15,No.4,pp.407-412,2000.
[9]GulezK.,Adam A.A.,PastaciH.,"A NovelDirectTorqueControl Algorithm for IPMSM With Minimum Harmonics and Torque Ripples",IEEE/ASME Trans.on Mechatronics,Vol.12,No.2,pp.
223-227,2007.
[10]E.C.Lovelace,T.M.Jahns,"MechanicalDesign Considerations forConventionally-laminated,High-Speed,InteriorPM Synchronous Machine Rotors", IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 40, No. 3, pp.
806-812,2004.
[11]J.W.Jung,B.H.Lee,D.J.Kim,J.P.Hong,J.Y.Kim,S.M.
Jeon,Do.H.Song,"MechanicalStressReduction ofRotorCoreof Interior PermanentMagnetSynchronous Motor",IEEE Trans.on Magnetics,Vol.48,No.2,pp.911-914,2012.
[12]Ho-Kyoung Lim,Baik-Kee Song,Sung-IlKim,Jung-Pyo Hong,
"A StudyonTheRelationBetweenRotorRibandMaximum Power ofIPMSM inFluxWeakeningRegion",2010Int.Conf.,onElectrical MachinesandSystem(ICEMS),pp.1222-1225,2010.
[13]S.H Lee,Y.S.Jeong,Y.J.Kim,S.Y.Jung,"NovelAnalysis and Design Methodology of Interior Permanent-Magnet SynchronousMotorUsing Newly AdoptedSyntheticFlux Linkage", IEEE Trans.Ind.Electron.,Vol.58,No9,pp.3806-3814,2011.
[14]D.J.Sim,D.H.Cho,J.S.Chun,H.K.Jung and T.G.Jung,
"Efficiency Optimization ofInteriorPermanentMagnetSynchronous MotorUsing Genetic Algorithm",IEEE Trans.on Magnetics,Vol. 32,No.2,pp.1880-1883,1997.
[15]C.C.Chan,K.T.Chau,J.Z.Jiang,W.Xia,M.Zhu,"Novel PermanentMagnetMotorDrivesforElectricVehicles",IEEE Trans.
onIndustrialElectronics,Vol.43,No.2,pp.331-339,1996.
[16]임채영,“자기 포화특성을 고려한 고속 운전용 매입형 영구자석 동기 전동기의 설계”,동아대학교 대학원 석사학위논문,2011.
[17]이경수,“열팽창 및 원심력을 고려한 고속 전동기 회전축의 최적설 계”,한양대학교 대학원 석사학위논문,2010.
[18]곽상엽,“차량 구동용 다층 매입형 영구자석 전동기의 특성 해석 및 설계”,서울대학교 대학원 박사학위논문,2008.
[19]고홍석,김광준,“영구자석을 사용한 모터의 코깅토크에 관한 이론적 해석”,대한기계학회논문집,제24권 7호,pp.1795-1800,2000.
[20]V.B.Hosinger,"Performance of Polyphase PermanentMagnet machines",IEEE Trans.on PowerApp.Sys.,Vol.99,No.4,pp.
1510-1518,1980.
감사의 글
학부과정 동안 여러 이유로 인해 학업을 중간에 포기할 생각도 했었던 제가 대학원에 진학하여 이렇게 석사과정을 마칠 줄은 상상도 못했습니 다.처음 대학원 진학을 고려할 때 주저하지 않고 에너지 변환 역학 연구 실을 선택한 것이 제 생애에 제일 잘한 선택이라고 봅니다.석사과정은 짧다고 했는데 어느 덧 벌써 2년이라는 세월이 지났습니다.많은 배움과 깨달음을 얻은 것 같습니다.논문 탈고를 마치면서 저를 지금껏 믿고 힘 이 되셨던 분들에게 감사의 마음을 전합니다.먼저 석사 과정 동안 연구 에 매진할 수 있도록 아낌없는 격려와 지도를 해주신 김용재 교수님께 진 심으로 감사드립니다.앞으로 교수님의 제자로서,교수님의 가르침을 받은 공학도로서 부끄럽지 않은 모습을 보여드리겠습니다.그리고 바쁘신 일정 에도 본 논문의 심사를 위하여 귀중한 시간을 할애해 주시고 지도해 주신 백형래 교수님,조금배 교수님께 깊은 감사를 드립니다.또한,좋은 가르 침을 주신 이우선 교수님,최효상 교수님,김남훈 교수님,김재홍 교수님 께도 감사를 드립니다.
저에게는 가족이나 다름없는 에너지 변환 역학 연구실 선후배 가족 여 러분들 너무 감사합니다.저에게 맏형님이나 다름없는 조경필 선배님 감 사합니다.항상 제가 힘들고 지칠 때 따뜻한 격려 잊지 않겠습니다.또한 저를 믿고 따라와 준 후배 창완,의종이한테도 감사의 말을 전합니다.
저를 낳아주시고 키워주신 아버지,어머님께 감사의 말씀 전합니다.이 제 두분께 멋진 아들이 되어 드리겠습니다.항상 건강하시고 제 곁에서 항상 응원해 주세요.그리고 하나밖에 없는 내동생 하나,부족한 내동생과 살아주는 동서,표현은 하지 않아도 항상 고맙게 생각하고 있습니다.
못난 저에게 귀하게 키우신 따님을 주신 장인,장모님께 감사하다는 말