A study on the Reduction of the Stator iron loss on Permanent Magnet Synchronous Motor for Light Railway Transit Propulsion System

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경량전철 추진용 영구자석 동기전동기의 고정자 철손 저감 연구

A study on the Reduction of the Stator iron loss on Permanent Magnet Synchronous Motor for Light Railway Transit Propulsion System

박찬배*·이형우·이병송

Chan-Bae Park·Hyung-Woo Lee·Byung-Song Lee

1. 서 론

일반적으로 매입형 영구자석동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 높은 효율과 약계자 제어를 통한 넓은 속도 가변 영역 특성을 갖는다[1,2]. 이러 한 이유로, 최근 IPMSM은 컴프레셔, 스핀들, 전기자동차용 전동기 뿐만 아니라, 철도차량 추진용 전동기 영역으로까지 응용범위가 확대되고 있다. IPMSM의 회전자는 영구자석이 회전자 내부에 삽입되는 구조를 갖는다. IPMSM 내부에서 발생된 자속은 철손의 주원인인 고조파 성분을 많이 포함하 고 있다. 특히 약계자 제어에 의한 고속 회전영역에서 고조 파 성분을 포함하고 있는 영구자석에 의한 자기력은 고정자 에서의 큰 고조파 철손의 원인이 된다[3,4-6]. 따라서 IPMSM 의 고속 운전 하에서 철손을 줄이기 위하여 고정자에서의 철 손을 줄이는 노력은 반드시 필요하다.

본 연구에서는 경량전철 추진시스템에 IPMSM을 적용시

키기 위하여 110kW급 고출력밀도 집중권 IPMSM을 설계하 였다[7]. Fig. 1은 110kW급 고출력밀도 IPMSM을 적용시키 기 위한 경량전철 및 설계된 IPMSM 모델을 보여준다. Table 1은 110kW급 고출력밀도 IPMSM의 설계 사양을 보여준다.

설계된 IPMSM은 3상 6극 9슬롯을 가지며, 정격속도와 최

Abstract

A study on the iron-loss reduction of 110kW-class Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for Light Railway Transit (LRT) is conducted. In general, the iron loss of IPMSM depends on the characteristics of core material and non-oriented electrical steel is used as a core material of IPMSM. In order to reduce the iron-loss of IPMSM, both non-oriented electrical steel and grain oriented electrical steel are applied as core material. Iron loss of 110kW-class IPMSM can be reduced approximately 40% comparing to an existing IPMSM by applying grain oriented electrical steel to the stator teeth.

Keywords

: Permanent magnet synchronous motor, Iron loss, Electrical steel sheet, Stator

초 록 IPMSM의 구동 중에 발생되는 철손은 코어 재료 특성에 의해 크게 좌우되며, 일반적으로 회전형 전동 기에서는 모든 자속의 흐름 방향으로 자기적 특성이 동일한 무방향성 전기강판이 코어 재료로 사용된다. 무방향 성 전기강판과 비교하여 방향성 전기강판은 자속의 흐름 방향으로의 자기적 특성이 우수한 장점을 가지고 있다.

따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 저감시키기 위하여 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강 판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 기존의 110kW급 IPMSM과 비교하여 거의 40% 정도의 철손 저감 효과 를 얻을 수 있었다.

주요어 : 영구자석동기전동기, 철손, 전기강판, 고정자

*Corresponding author

Tel.: +82-31-460-5427, E-mail : cbpark@krri.re.kr

©The Korean Society for Railway 2012 http://dx.doi.org/10.7782/JKSR.2012.15.4.376

Fig. 1 LRT for the application of 110kW-class high power density IPMSM

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고속도가 각각 2400rpm, 6000rpm이다. IPMSM 고정자의 외 경은 316mm, 회전자 외경은 180mm, 적층높이는 280mm 이 며, 영구자석은 Nd계를 사용하였다. IPMSM의 구동 중에 발 생되는 철손은 코어 재료 특성에 의해 크게 좌우되며, 일반 적으로 회전형 전동기에서는 모든 자속의 흐름 방향으로 자 기적 특성이 동일한 무방향성 전기강판이 코어 재료로 사용 된다. 무방향성 전기강판과 비교하여 방향성 전기강판은 자 속의 흐름 방향으로의 자기적 특성이 우수한 장점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 저감시키기 위하여 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전기강 판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. IPMSM의 고정 자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전기강판을 이용 한 분할 티스 구조를 적용함으로써 기존의 110kW급 IPMSM 과의 다양한 특성 비교를 수행하였다.

2. 기존 IPMSM의 철손 특성 분석

본 논문에서 기 설계된 110kW급 IPMSM의 기본 특성 몇 가지를 선행 분석하였다. 기존 IPMSM의 고정자와 회전자 코어에는 무방향성 전기강판(35PN230, 두께 0.35mm)을 사 용하였다. Table 2는 기존 IPMSM의 2400rpm과 6000rpm에

서의 주요 특성을 보여준다. Fig. 2는 기존 IPMSM의 2400rpm 과 6000rpm에서의 철손 분포를 보여준다. Fig. 2에서 보는 바와 같이, IPMSM에서 발생되는 철손은 저속 회전영역에 서는 고정자 전체에서 고르게 나타난다. 그러나 고속 회전 영역에서는 철손이 고정자의 티스와 슈가 만나는 부분에서 주로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위하여 IPMSM의 고정자 코어 재질로써 고정자 요크 부분 은 기존의 무방향성 전기강판을 사용하고, 고정자 티스 부 분에 방향성 전기강판을 적용하는 것을 본 논문에서 제안하 였다. 방향성 전기강판은 자속의 흐름 방향으로 손실 특성 이 우수하기 때문에 IPMSM의 고정자 코어 티스 부분에 적 용하면 고속 회전영역에서의 고정자 티스부분에서 주로 발 생되었던 철손 저감에 유리할 것이다. Fig. 3은 IPMSM의 손 실 데이터에 대한 FFT 분석 결과를 보여준다. Fig. 3의 (a) 는 IPMSM의 철손의 FFT 분석 결과이며, (b)는 회전자의 영 구자석에서의 와전류손의 FFT 분석 결과이다. Fig. 3(a)에서 보는 바와 같이, 6*n차(n=1,2,3,...) 고조파 성분이 크게 나타 나고 있는데, 이 성분은 회전자의 6극 영구자석에 의해 고 정자에서 발생된 고조파 성분이다.

Table 1 Specification of 110kW-class high power density IPMSM

Contents Value

Max. output (kW) 110

DC link Voltage (V) 750

Rated / Max. speed (rpm) 2,400 / 6,000 Phase / Poles / Slots 3 / 6 / 9 External dia. of stator (mm) 316

External dia. of rotor (mm) 180

Stack length (mm) 280

PM / Size (mm) / Br (T) Nd-Fe-B / 29.6x10 / 1.2 Conductivity of PM (S/m) 7.1×10⁵ Core steel sheet / Thickness (mm) 35PN230 / 0.35

*PM : Permanent Magnet

Table 2 Main characteristics of the conventional IPMSM

Contents 2400rpm 6000rpm

Full-load EMF (V_peak) 190.9 328.7

Average Torque (Nm) 433 142

Torque Ripple (Nm) 133 96

Iron Loss (kW) 1.02 1.17

Eddy Current Loss on PM (kW) 0.18 3.68

Copper Loss (kW) 0.83 0.83

Efficiency (%) 98.15 93.70

Fig. 2 Iron loss distributions of the 110kW-class conventional IPMSM

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3. 해석적 방법에 의한 IPMSM의 철손 저감 검증

3.1 철손 저감 방법 제안

일반적으로, 적층 코어를 쇄교하는 자기장의 크기가 변할 때 적층 코어 재료의 자화의 정도는 자구벽의 운동에 기인 한 미세 자구의 팽창과 수축에 의해 변한다. 이것을 물리적 으로 철손 또는 히스테리시스손이라 한다. 일반적으로 철손 (Wf)을 도출하는 식은 (1)과 같으며, B는 자속밀도, f 는 주 파수, σh는 히스테리시스 손실 계수, σe는 와전류 손실 계수, d는 철판 두께이다. 식 (1)에서 보는 바와 같이, 전기강판의 종류에 따라 히스테리시스 손실 계수와 와전류 손실 계수가 변하게 되는데, 히스테리시스 손실 계수가 작은 방향성 전 기강판을 적용하게 되면 IPMSM의 전체 손실은 저감되게 된 다[8].

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따라서 본 연구에서는 IPMSM의 철손을 줄이기 위하여, 무방향성 전기강판과 방향성 전기강판을 IPMSM의 고정자

코어 재료로써 동시에 적용하는 방법을 제안한다. Fig. 4는 IPMSM의 고정자에 두 가지 종류의 전기강판으로 요크와 티 스를 구성하여 조립하는 방법이다. Fig. 4에서 보는 바와 같 이, 무방향성 전기강판은 IPMSM 고정자의 요크에 적용하 고, 방향성 전기강판은 고정자의 티스에 각각 적용한다. 특 히 고정자 티스에 적용하는 방향성 전기강판의 Rolling 방 향은 Fig. 4에서 보는 바와 같다. Fig. 5는 일반적인 무방향 성 전기강판(NO)과 방향성 전기강판(GO)의 B-H 커브 특성 이다. Fig. 5에서 보는 바와 같이, 일반적으로 방향성 전기 강판의 경우 가공 시의 Rolling 방향으로의 자기적 특성(자 W_f B² σ_h f

100---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ σ_ed f 100---

⎝ ⎠

⎛ ⎞²

⎩ + ⎭

⎨ ⎬

⎧ ⎫[W kg⁄ ]

=

Fig. 3 FFT analysis of loss data of the 110kW-class conventional IPMSM

Fig. 4 A method to apply the two kinds of electrical steel to the stator of IPMSM

Fig. 5 B-H curve characteristics of electrical steel sheets Table 3 Typical values of electrical steel sheets for the IPMSM

Contents

Non-oriented electrical steel (35PN230)

Grain oriented electrical steel

(27PH095)

Thickness (mm) 0.35 0.27

Density (kg/dm³) 7.60 7.65

Resistivity (Ω·m) 59×10^-8 48×10^-8

Core loss

W15/50

(W/kg) 2.10 0.65

W15/60

(W/kg) 2.60 0.86

Induction (T) 1.66 1.91

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속밀도와 히스테리시스 손실 특성)이 Transverse 방향보다 우 수하며, 무방향성 전기강판 보다 도 우수하다. Table 3은 IPMSM의 고정자 코어 재료로써 사용될 각 전기강판 재료 의 기본적인 특성 데이터이다. Table 3에서 보는 바와 같이, 무방향성 전기강판의 두께는 0.35mm이고 방향성 전기강판 의 두께는 0.27mm이며, 50Hz와 60Hz에서의 시편의 코어 손 실이 기본적으로 3배정도 차이가 발생함을 확인할 수 있다.

3.2 철손 저감 검증

본 연구에서 제안된 방법에 의한 IPMSM의 철손 저감 효 과는 FEM을 이용한 수치해석적 방법에 의해 검증되었다.

Table 3에서 정리한 방향성 전기강판(27PH095)과 무방향성 전기강판(35PN230)의 120Hz(2400rpm)와 300Hz(6000rpm) 에서의 손실 데이터를 FEM 해석 모델에 적용하였다. Fig.

6과 Fig. 7은 2400rpm과 6000rpm의 회전속도에서의 개선된 IPMSM 모델의 철손 분포 및 철손 특성 곡선이다. Fig. 8은 개선된 IPMSM 모델의 손실 데이터에 대한 FFT 분석 결과 이다. Fig. 8(a)에서 보는 바와 같이, 2400rpm 회전영역에서 는 기존의 IPMSM의 값과 비교하여 6*n(n=1,2,3,...)차 항을 제외하고 저차수의 고조파가 크게 감소되었다. 본 연구에서 6*n(n=1,2,3,...)차 항은 회전자의 형상, 즉 회전자의 영구자석 극수와 관계된 항이며, 고정자 코어의 재료에 의해 크게 영향 을 받지 않는 부분이므로 저속 회전영역에서 6*n(n=1,2,3,...) 차 항의 감소 영향이 적었다. 하지만 6000rpm의 고속회전

Fig. 6 Iron loss distributions of the improved IPMSM by the proposed method

Fig. 7 Iron loss curves of the improved IPMSM by the proposed method

Fig. 8 FFT analysis of loss data of the improved IPMSM by the proposed method

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영역에서는 6*n(n=1,2,3,...)차 고조파항의 감소효과도 있었 다. Table 4는 기존의 IPMSM과 개선된 IPMSM 사이의 주 요 특성값 비교를 보여준다. Fig. 9는 제안된 방법에 의한 IPMSM의 철손과 효율 특성 개선량을 보여준다. Fig. 9에서 보는 바와 같이, IPMSM의 고정자 티스에 방향성 전기강판 을 적용할 경우에 철손은 40.3% 감소가 가능하며, 효율은 0.71% 증가가 가능함이 검증되었다. 집중권을 가진 IPMSM 의 주요 손실은 동손, 철손, 영구자석 와전류손으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서는 110kW급 IPMSM의 고정자 티스 에 방향성 전기강판을 적용함으로써 기존 IPMSM 대비 약 40% 정도 철손 저감이 가능함을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 경량전철 추진시스템에 IPMSM을 적용시 키기 위하여 110kW급 고출력밀도 집중권 IPMSM을 설계하 였으며, IPMSM 기본 모델의 FEM 분석을 통하여 발생 철 손이 저속 회전영역에서는 고정자 전체에서 고르게 나타나 지만, 고속 회전영역에서는 고정자의 티스와 슈가 만나는 부 분에서 주로 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 서는 IPMSM의 고속회전영역에서의 철손을 저감시키기 위 하여 고정자 코어 재료로써 무방향성 전기강판과 방향성 전

기강판을 동시에 사용하는 구조를 제안하였다. 결론적으로 IPMSM의 고정자에 자속 흐름의 방향으로 가공된 방향성 전 기강판을 이용한 분할 티스 구조를 적용함으로써 철손은 40.3% 감소, 효율은 0.71% 증가시킬 수 있었으며, 제안된 방 법을 통하여 고속 운전 시 철손 특성이 개선된 고속용 IPMSM 을 제작하는데 도움이 될 것으로 보인다

참고문헌

[1] K. Yamazaki, H. Ishigami (2010) Rotor-Shape Optimization of Interior Permanent-Magnet Motors to Reduce Harmonic Iron Losses, IEEE Trans. Ind. Elec., 57(1), pp. 61-69.

[2] S.J. Kim, H.W. Lee, K.S. Kim, J.N Bae, J.B. Im, C.J. Kim, J.

Lee (2009) Torque Ripple Improvement for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Considering Parameters with Mag- netic Saturation, IEEE Trans. Magn., 45(10), pp. 4720-4723.

[3] M. Nakano, K. Ishiyama, K.I. Arai, H. Fukunaga (1997) Reduction of iron loss in thin grain-oriented silicon steel sheets, IEEE Trans. Magn., 33(5), pp. 3754-3756.

[4] Z. Azar, L.J. Wu, D. Evans, Z.Q. Zhu (2010) Influence of rotor configuration on iron and magnet losses of fractional-slot IPM machines, 5th IET International Conference on Power Elec- tronics, Machines and Drives(PEMD2010), pp. 1-5.

[5] Katsumi Yamazaki, Yu Fukushima and Makoto Sato (2009) Loss Analysis of Permanent-Magnet Motors With Concen- trated Windings-Variation of Magnet Eddy-Current Loss Due to Stator and Rotor Shapes, IEEE Trans. on Industry Applica- tions, Vol. 45, pp. 1334-1342.

[6] F. Gillon and P. Brochet (1999) Shape optimization of a permanent magnet motor using the Experimental design method, IEEE Trans. On Magnetics, Vol. 35, pp. 1278-1281.

[7] H.W. Lee, C.B. Park, B.S. Lee (2012) Core-loss Reduction on Permanent Magnet for IPMSM with Concentrated Winding, Journal of the Korean Society for Railway, 15(2), pp. 135-140.

[8] Y. Matsuo, T. Higuchi, T. Abe (2011) Characteristics of a novel segment type switched reluctance motor using grain-oriented electric steel, 2011 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS), pp. 1-4.

접수일(2012년 6월 4일), 수정일(2012년 7월 28일), 게재확정일(2012년 8월 7일)

Chan-Bae Park : cbpark@krri.re.kr

Advanced Traction and Noncontact Feeding System Research Team, Korea Railroad Research Institute, #176, Cheoldo Bangmulgwan-ro, Uiwang-si, Gyeonggi-do, 437-757, Korea

Hyung-Woo Lee : krhwlee@krri.re.kr

Byung-Song Lee : bslee@krri.re.kr

Table 4 Comparison of main characteristics between the conventional IPMSM and the improved IPMSM

Contents

Conv.

IPMSM Impro.

IPMSM Conv.

IPMSM Impro.

IPMSM

2400rpm 6000rpm

Full-load EMF (Vpeak) 190.9 212.2 328.7 335.2

Average Torque (Nm) 433 464 142 147