Shape Design of IPMSM for HEV Traction Motor to Reduce Usage of Permanent Magnet and to Ensure Maximum Output Power

- 607 -

영구자석 사용량 저감과 최대출력 확보를 위한 HEV 구동용 IPMSM의 형상설계

정재우

^*

, 이태근

^*

, 이정종

^*

, 이근호

^*

, 홍정표

^*

, 김기남

^**

한양대학교 기계공학부

^*

, 현대·기아 자동차 하이브리드 설계팀

^**

Shape Design of IPMSM for HEV Traction Motor

to Reduce Usage of Permanent Magnet and to Ensure Maximum Output Power

Jae-Woo Jung

^*

, Tae-guen Lee

^*

, Jung-Jong Lee

^*

, Geun-Ho Lee

^*

, Jung-Pyo Hong

^*

, and Ki-Nam Kim

^**

School of Mechanical Engineering, Hanyang University

^*

HEV System Engineering Team, Hyundai·Kia motors

^**

Abstract - 일반적으로 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석의 사 용량이 많을수록 돌극비를 향상 시킬 수 있으므로 발생토크 중 릴럭턴 스 토크의 비중을 키울 수 있다. 이는 토크 발생 시 입력전류를 저감시 켜 동손이 감소하고 효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. 하지만 최근에 희토류계 영규자석의 가격 상승으로 인하여 영구자석 형 전동기 개발에 있어 제약이 따르는 상황이며 가격 경쟁력을 위하여 영구자석의 사용량을 저감시키는 노력을 기울이고 있다. 본 논문에서는 HEV 구동 용 매입형 영구자석 동기전동기를 대상으로 영구자석 사용량 저감 설계 에 대하여 다루고자 한다. 영구자석 사용량 저감은 영구자석의 두께를 변경시켜서 검토하였으며 실험을 통한 영구자석의 감자특성을 검토하여 최적의 두께를 결정하였다. 영구자석 두께 저감에 따라 감소한 최대출력 확보를 위하여 회전자의 형상설계를 기계적 구조해석과 병행하여 수행 하였다. 최종으로 설계된 모델의 특성은 Prototype과 비교하여 성능만족 여부 및 영구자석 사용량 변화를 확인하였다.

1. 서 론

영구자석이 회전자 내부에 삽입되는 매입형 영구자석 동기전동기(이 하 IPMSM)는 마그네틱 토크뿐만 아니라 릴럭턴스 토크를 동시에 사용 함으로써 전동기의 출력밀도를 향상시킬 수 있으며 약계자 제어를 통하 여 넓은 속도 영역을 가질 수 있다. 그러므로 미래형 차량의 구동 전동 기로써 많은 연구가 수행되고 있다[1].

일반적으로 IPMSM의 단위 전류 당 토크를 증가시키기 위하여 돌극 비를 향상시켜서 릴럭턴스 토크 사용량을 키우는 노력을 한다. 돌극비 향상을 위한 형상 설계로써 회전자의 자속장벽 설계와 영구자석의 다층 매입 등 여러 가지 방법들이 연구되어왔다[2]. 특히 돌극비의 향상을 위 한 가장 효과적인 방법 중 하나로써 영구자석의 두께를 증가시키는 방 법이 있지만 가격 상승을 유발하므로 적절한 방법이 되지는 못한다. 최 근 희토류계 영구자석의 가격이 상승하는 시점에서 양산성과 가격경쟁 력 향상을 위하여 영구자석 사용량의 저감을 위한 설계에 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 영구자석의 사용량 저감은 역기전력 감소, 최대 출력 저하, 영구자석의 불가역 감자 등 전동기의 성능을 저감시키는 원 인이 되므로 충분한 검토가 이루어져야 한다.

본 논문에서는 HEV 구동용 IPMSM의 가격 경쟁력 확보를 위하여 기존의 성능을 유지시키는 동시에 영구자석 사용량을 저감시키는 설계 에 대하여 다루었다. 영구자석 불가역 감자 실험을 통한 영구자석 두께 결정과 영구자석 사용량 저감에 따른 성능확보를 기계적 구조해석과 병 행하여 검토했고 설계된 최종모델과 Prototype의 영구자석 사용량 및 특성을 비교하여 설계에 타당성을 검증하였다.

2. 본 론

2.1 해석모델 및 설계 방향

해석 대상모델은 HEV 구동용 IPMSM으로써 주요 사양은 표 1과 같 다. 16극 24슬롯 구조에 최대출력이 30kW이며 최대토크는 205Nm이다.

사이즈 저감을 위하여 집중권 권선으로 설계되었으며 영구자석 와전류 손실 저감을 위하여 극과 극 사이에 V형상의 slit이 적용되어 있다.

<표 1> 해석모델의 사양

Value Unit 비고

단자전압 208 V

DC

-

전류제한 240 A

rms

-

최대토크 205 Nm 60초 정격

최대출력 30.0 kW -

기저속도/최대속도 1400 / 6000 rpm -

<그림 1> 해석 모델의 형상

설계 시작

영구자석 두께 별 특성해석 및 양상분석

영구자석 두께 별 불가역 감자 실험

성능확보를 위한 Rib 설계 &

회전자의 원심력 해석

영구자석 두께 결정, Rib 형상 결정 최종모델의 특성해석 및 Prototype과의 비교

설계 종료

<그림 2> 설계과정

그림 2는 설계 과정을 간략하게 보여준다. 최소한의 변경을 통한 설 계를 수행 하는 동시에 영구자석 사용량 저감을 위하여 영구자석의 두 께를 저감시키는 방향으로 검토하였다. 기존의 영구자석 두께에서 0.3mm, 0.5mm 감소시켜서 전기적 특성을 분석하는 동시에 영구자석 두 께 별 시제품을 제작하여 감자실험을 수행하였다. 영구자석 두께 변경으 로 생기는 전동기의 성능저감은 회전자의 rib 형상 설계를 통하여 성능 을 기존 수준으로 유지시켰다. 이 때 회전자 rib의 변경에 따라 원심력 의 허용치를 초과하는지의 여부를 확인하기 위하여 구조해석을 병행하 였으며 전기적 특성의 해석에는 d-q축 등가회로 해석이 적용되었다[3].

2.2 기계적 강성 해석이론

IPMSM의 운전 시 회전자 작용하는 응력은 원주방향응력 (circumferential stress)으로써 식(1) 및 반경방향응력(radial stress) 식 (2)로 계산되어 질 수 있다[5]. 여기서 ν와 ρ는 로터의 프와송 비와 밀 도이고 ⍵는 회전 각속도이다. 식 (1)-(2)는 회전 시 로터에 작용하는 응력에 관한 수식이다. 좀 더 정확한 응력을 알기 위해서 유한요소해석 툴인 ANSYS 11을 사용하였다.



_

   

  



^



  _

_^

_{ }

_^

_{ }



^



_^



_^

    

   

  (1)



_

   

  



^



  _

_^

 

_^

 



^



_^



_^

 

^



  (2)

2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2009. 7. 14 - 17

- 608 -

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0

129.5 130.0 130.5 131.0 131.5 132.0 132.5 133.0 133.5 134.0 134.5

0 2 4 6 8 92 94 96 98 100

Ch ar act er is tic c urr en t (

IM

) [ A

rms

]

Back EMF Volume of PM

Max imu m ou tp ut po we r [ kW ]

Reduce 0.5mm Reduce

0.3mm

Ba ck EMF, Vo lume o f PM [ p u ]

Prototype

Max. Power I_M

<그림 3> 영구자석 두께에 따른

역기전력, 최대출력(@최대속도), 특성전류, 영구자석 사용량 비교

2.3 영구자석 두께에 따른 특성

Prototype과 영구자석 두께를 0.3mm, 0.5mm 감소시킨 모델의 선간 역기전력과 최대속도 6000rpm에서 최대로 출력이 가능한 power 그리고 특성전류를 비교한 결과 그림 3과 같다. 여기서 특성전류 I

M

은 식 (3)에 의해 결정된다.



_{ }

 

_



_

(3)

식 (3)에서 Φ

a

는 극 당 쇄교 자속량을 나타내며 L

d

는 d축 인덕턴스이다.

영구자석의 두께가 감소하면서 L

d

값이 증가하고 영구자석의 퍼미언스 계수 감소로 인하여 역기전력이 감소한다. 역기전력의 감소는 Φ

a

의 감 소와 같은 의미이므로 영구자석의 두께가 줄어들수록 특성전류 I

M

은 떨 어지는 양상을 보인다. 최대속도에서의 최대출력은 특성전류 I

M

의 크기 에 따라 결정되므로 I

M

의 변화 양상과 유사한 특성을 보인다[4].

2.4 영구자석 두께 별 불가역 감자 실험

영구자석의 두께에 따라 가장 민감하게 영향을 받는 특성 중 하나인 영구자석의 불가역 감자이다. 영구자석의 불가역 감자란 전동기의 동작 시 고온의 영구자석 상태에서 반작용 기자력이 인가되었을 경우 영구자 석이 본래의 특성일 잃어버리는 현상을 말하며 불가역 감자가 된 전동 기는 기존의 특성을 완전히 또는 일부분 잃어버리는 현상이 나타난다.

그러므로 설계 단계에서 영구자석의 불가역 감자는 충분히 검토가 되어 야 한다. 하지만 해석상으로 영구자석의 불가역 감자를 예측하는 일은 영구자석 내부 온도 예측의 불확실로 인하여 많은 어려움이 있다. 그러 므로 본 논문에서 다루고 있는 설계에서는 영구자석을 두께별로 시제품 을 제작하여 감자시험을 수행하여 최적의 영구자석의 두께를 결정하였 다.

그림 4는 영구자석의 불가역 감자 실험 시 전류 입력 조건 및 결과 를 나타낸다. 최대운전속도 6000rpm로 회전시키면서 최대토크 205Nm를 만족시키는 전류를 d축으로 약 1분 동안 인가한다. 그 후 역기전력을 측정하여 실험 전, 후의 역기전력 크기를 비교하는 방법으로 실험을 수 행하였다. 실험 결과 영구자석의 두께를 0.3mm 감소시킨 경우 영구자석 의 감자현상은 일어나지 않았지만 0.5mm를 감소시킨 경우 그림 4에서 보는바와 같이 약 3%의 감자가 발생하였다. 그러므로 영구자석의 두께 를 0.3mm 줄이는 것으로 결정하였으며, 이때 영구자석 사용량은 Prototype에 비해 약 4% 감소시키는 효과를 볼 수 있다.

<그림 4> 영구자석의 불가역 감자 실험결과

28.0 28.5 29.0 29.5 30.0 30.5 31.0 31.5 32.0

129.5 130.0 130.5 131.0 131.5 132.0 132.5 133.0 133.5 134.0 134.5

0 2 4 6 8 98.0 98.5 99.0 99.5 100.0 100.5

Characteris tic current(

IM

) [ A

rms

]

Back EMF

Maxim um output power [ kW ]

PM 0.3mm reduced Rib thickness 1.1mm PM 0.3mm reduced

Rib thickness 1.3mm

Back E M F [ pu ]

Prototype

Max. Power I

M

<그림 5> 영구자석 두께와 rib 두께에 따른 역기전력, 최대출력(@최대속도), 특성전류 비교

<그림 6> 최종모델의 회전자 응력 해석결과

2.5 회전자의 rib 설계

영구자석의 불가역 감자 실험을 통하여 영구자석의 두께를 0.3mm 저감시키는 것으로 결정하였다. 그림 3에서 보는바와 같이 영구자석 두 께 변경으로 인하여 전동기의 전반적인 특성은 감소하는 경향을 보인다.

영구자석 저감과 동시에 Prototype과 유사한 성능을 만족시키기 위해서 는 회전자 rib 부분의 설계가 필요하다. 일반적으로 IPMSM의 경우 회 전자의 rib 두께를 얇게 설계할수록 전동기의 전반적인 특성이 향상된 다. 하지만 rib 두께를 얇게 설계할 경우 고속회전 시 원심력에 의하여 회전자의 형상이 변형되는 현상이 발생할 수도 있다. 그러므로 설계 시 기계적 구조해석을 수행하여 rib 두께를 결정해야 한다.

그림 5는 Prototype과 영구자석의 두께를 0.3mm 저감시킨 모델에서 회전자 rib을 기존 1.3mm인 경우와 1.1mm로 변경 시켰을 경우 전기적 특성 변화를 보여준다. 회전자의 rib이 0.2mm 얇아짐으로써 누설자속이 줄어들고 역기전력이 증가함과 동시에 특성전류가 증가하여 최대 출력 이 Prototype과 동등수준 이상으로 확보되는 것을 볼 수 있다. 고속회전 시 회전자에 작용하는 원심력을 상용 프로그램인 ANSYS 11을 사용하 여 해석하였다. 그림 6의 결과와 같이 회전자에 작용하는 최대응력은 6000rpm에서 155.3Mpa로써 안전계수 2이상을 만족하였다.

3. 결 론

HEV 구동용 IPMSM의 양산 시 가격 경쟁력 확보를 위하여 영구자 석 사용량을 저감과 성능 유지를 동시에 만족시키는 설계 방법에 대하 여 다루었다. 영구자석 사용량 저감은 전동기의 성능 저하를 동반하지만 실험을 통한 최적의 영구자석 두께와 기계적 구조해석을 적용하는 설계 를 통하여 영구자석의 사용량을 감소시키면서 Ptototype과 비교하여 동 등 이상 수준의 출력을 확보하는 설계를 수행하였다. 본 설계 방법으로 영구자석은 약 4% 저감시키는 효과를 보았으며 HEV 양산 시 가격 경 쟁력 측면에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.

[참 고 문 헌]

[1] J. M. Miller, Propulsion System for Hybrid Vehicles, ser. Inst.

Elect. Eng. Power Energy 45. London, U.K.: IEE, 2004.

[2] Liang Fang, Jae-Woo Jung, Jung-Pyo Hong, and Jung-Ho Lee,

"Study on High-Efficiency Performance in Interior Permanent Magnet Synchronous Motor With Double-Layer PM Design," IEEE Trans.

Magn., vol. 44, no. 11, pp. 4393-4396, Nov. 2008.

[3] J. Y. Lee, S. H. Lee, G. H. Lee, J. P. Hong, and J. Hur,

"Determination of parameters considering magnetic nonlinearity in an interior permanent manet synchronous motor," IEEE Trans. Magn., vol. 42, no. 4, pp.1303-1306, Apr. 2006.

[4] Yoji Takeda, Nobuyuki Matsui, Shigeo Morimoto, Yukio Honda,

“Design and control of interior permanent magnet synchronous

reluctance motor”, Ohmsa, 2001.