A Study On The Drive Characteristic from Rotor Shape of 1kw Class Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

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1kw 급 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 회전자 형상에 따른 구동특성 연구

정태철

, 김원규

. 김윤현

한밭대

,교신저자

A Study On The Drive Characteristic from Rotor Shape of 1kw Class Interior Permanent Magnet Synchronous Motor

Tae-Cheol Jeong

, Won-Kyu Kim

, Youn-Hyun Kim

HanBat University

, HanBat University-Corresponding Author([email protected])

형상 모델A 모델B 모델C 모델D 모델E 모델F

기본파

(V) 117.97 110.04 96.02 118.66 104.21 33.41 3고조파

(V) 4.17 20.96 21.20 12.44 13.03 7.51 11고조파

(V) 1.83 13.88 2.33 12.19 13.85 1.75 Abstract - 본 연구는 1kw 급 매입형 영구자석 동기전동기 (IPMSM) 의

회전자의 최적 형상 설계를 위하여 여러 가지 타입의 형상을 실험 및 시뮬레이션을 통해 공극자속밀도 , 쇄교자속 , 역기전력 , 코깅토크 , 정격점 에서의 최대토크 , 최대토크 전류 위상각의 특성을 비교하여 구동성능을 검토하였다 . 본 연구를 통하여 비교한 모델은 1kw 급 매입형 영구자석 동기전동기의 기초 특성 데이터로 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판 단된다 .

1. 서 론

IPMSM(Interirer Permanent Magnet Synchronus Motor)은 영구자석을 회전자 내부에 매입한 동기모터로 마그네트 토크 에 더하여 릴럭턴스 토크도 이용하므로 고효율의 가변속 범위가 넓은 모터로써, 콤프레셔, 스핀들, 전기자동차용 모터등에 사용되고 있고, 유도기에 비하여 슬립이 없고 여자손실이 없으며 역률, 토크, 효율면에서 장점이 있기 때문에 앞 으로 상용화 가치가 높아지고 있다[1]. 1kw급 서보용 IPMSM을 설계하 는데 있어 회전자 타입 선정을 하는데, IPMSM의 영구자석 회전자는 영 구자석 배치 및 형상에 따라서 설계 자유도가 매우 크기 때문에 여러 가지 형상을 가질 수 있다. 즉, 설계자의 의한 다양한 설계가 가능하다 는 것이다. 하지만 이러한 장점은 결국 많은 설계 변수를 낳게 되고, 최 적 설계를 위한 목적함수 최적화가 어려워지는 단점을 가지고 있다[2].

따라서, 본 논문에서는 6가지 형상의 회전자를 제시하여 역기전력파형, 코깅토크파형 및 최대토크제어시 평균토크, 리플률, MTPA제어 최대출 력 특성을 비교 검토 하고, 가변속 범위가 넓은 광속도 영역운전 요건에 만족하는 회전자형상을 설계 할 수 있는 1kw 급 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 기초 특성 데이터를 제시하고자 한다.

2. 본 론 2.1 회전자 형상에 따른 특성분석 모델

모델 A 모델 B

모델 C 모델 D

모델 E 모델 F

<그림2.1> 회전자 형상

그림2.1 과 같이 특성을 분석하기 위해 6가지 회전자 형상을 제시하였 다. 권선은 슬롯당 40turn ,영구자석은 네오디뮴자석(NdFeB)과 페라이트 영구자석을 사용하였고, 잔류자속밀도(Br)값은 각각 1.3[T], 0.4[T]이며, 정격전류는 6A[peak]이다. 모델 A는 타원형의 회전자에 네오디뮴을 삽 입한 모델이며, 모델 B는 원형회전자에 네오디뮴을 삽입하였고, 모델 D 는 이층형의 네오디뮴을 삽입하였고 모델 C 및 모델 E는 자석 두께를 절반으로 줄인 모델이다. 마지막으로 모델 F는 모델 B의 원형 회전자에 페라이트 영구자석을 삽입한 모델이다.

2.2 회전자 형상에 따른 특성분석

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 A

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 B

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 C

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 D

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 E

-150 -100 -50 0 50 100 150

V 모델 F

<그림2.2> 2000rpm 에서의 역기전력 파형

<표2.1> 역기전력 기본파크기

무부하시 2000rpm 에서의 역기전력 값 및 기본파의 크기는 그림2.2, 표 2.1 와 같다. 표2.1 의 주요 고조파의 값을 보면 회전자 모델 A를 제외 한 모든 회전자 구조에서는 역기전력 값에 고조파가 많이 포함되어있는 것을 알 수 있다. 즉, 고조파가 많이 포함 되어 있다는 것은, 정현적인 역기전력이 출력되지 않기 때문에 토크 리플울 발생시킨다.

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

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형상 모델A 모델B 모델C 모델D 모델E 모델F

코깅토크

크기(mN․m) 69 408 368 658 663 67

형상 모델A 모델B 모델C 모델D 모델E 모델F

최대토크 전류위상각

(degree)

18 20 23 17 26 36

형상 모델A 모델B 모델C 모델D 모델E 모델F

평균토크

(N․m) 5.05 4.86 4.27 5.18 4.61 2.36

리플율

(%) 3.52 19.01 21.13 13.47 14.63 17.50

형상 모델A 모델B 모델C 모델D 모델E 모델F

B-EMF 상수(V)

0.0589 85

0.0550

2 0.04801 0.0593 3

0.0521 05

0.0167 05 Ia(Peak)

(A) 6∠18° 6∠20° 6∠23° 6∠17° 6∠26° 6∠36°

6A 최대속도

(Rpm)

2515 2590 2845 2445 2715 3850

제한속도

(Rpm) 2540 2720 3120 2520 2870 8980

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 m800

Nm 모델A

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 m800

Nm 모델B

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 mN

m 모델C

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 mN

m 모델D

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 m800

Nm 모델E

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 m800

Nm 모델F

<그림2.3> 코깅토크 파형

<표2.2> 코깅토크 최대값

그림2.3 및 표2.2 는 무부하 2000rpm에서의 각 모델들의 코깅토크의 크 기를 나타낸다. 모델 A와 F는 크기가 가장 작지만 F는 자속량을 줄인 모델이고 나머지 모델들을 비교해 보았을 때, 이층형의 회전자 타입인 모델 D와 E 가 가장 코깅토크값이 크다는 것을 알 수 있다. 따라서 고 조파의 크기 및 코깅토크가 가장 큰 모델은 이층형의 회전자형상의 모 델 D와 E 이다.

<표2.3> 6A 최대토크 전류위상각

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델A

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델B

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델C

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델D

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델E

0 1 2 3 4 5 6 m7

Nm 모델F

<그림2.4> 2000rpm 6A 최대토크제어시 토크파형

<표2.4> 6A 최대토크제어시 토크 및 리플율

<표2.5> 최대 출력 분석

표2.3 에 근거한 각 형상에 따른 최대토크 위상각에 따른 최대토크 파 형은 그림2.4 와 같고 평균토크 및 리플률은 표2.4 와 같음을 알 수 있 다. 리플률은 앞서 역기전력의 고조파 성분 및 코깅토크의 크기가 가장 큰 이층형 영구자석 모델D와 E 보다는 단층형 영구자석 모델B와 C가 큰 것을 알 수 있다. 따라서 회전자 내부 영구자석의 배치에 따라 고조 파와 코깅토크의 크기 및 리플률의 차이를 보인다. 또한 모델A의 경우 코깅토크 역기전력 고조파 성분 토크리플률이 가장 작은 것을 볼 수 있 는데, 회전자의 형상을 변경하여 토크리플을 저감 할 수 있다. 또한, 페 라이트자석을 사용한 모델 F를 제외한 다른 모델들을 비교해 보았을 때 모델 C와 E의 자석량을 2배 이상 쥴여도 그에 따른 토크값은 2배 이하 로 줄지 않는 것을 볼 수 있는데, 이는 상용 전기강판의 특성상 B-H 곡선은 비선형 포화 특성을 가지는데, 자속포화에 의해 흐르지 못한 쇄 교자속이 마그넷 토크가 되지 못하고 낭비되고 있는 것으로 추정된다.

또한, 표2.5 에서 3상인버터를 이용한 PWM 제어시 6A[peak] 최대 속 도는 V

가 인버터의 최대출력상전압인 150V를 넘지 않기 위한 V

(역기 전력)에 해당되는 속도를 역기전력 상수를 이용하여 계산하였다. 따라서 각각의 모델의 최대토크(MTPA)제어시에 정격전류 6A[peak]에서의 최 대속도 와 제한속도의 차이가 크지 않음을 알 수 있는데, 이 또한 자속 량이 많기 때문에 마그넷 토크성분이 커서 토크는 크지만 역기전력량이 크기 때문에 약계자제어를 통한 IPMSM의 용도에 적합한 광속도 범위 운전에 적합하지 않다. 릴럭턴스 토크의 크기 또한 마그넷 토크성분이 크기 때문에 비교가 불가능 하다고 판단된다. 따라서 토크리플이 적고 광속도 범위 운전을 위한 적절한 회전자 형상 및 영구자석은 원형 회전 자형태에 잔류자속밀도가 적은 페라이트 영구자석을 삽입한 모델F가 적 합 하다.

3. 결 론

본 연구에서는 1kw 급 IPMSM 의 6가지의 형상에 대한 성능검토를 위하여 전자장 해석 프로그램 및 IPMSM의 전압 방정식 및 전류 벡터 도를 이용하여 최대 출력 분석, 역기전력, 코깅토크, 최대토크전류위상 각, 토크리플을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 릴 럭턴스토크이용 광속도영역 운전요건에 대한 기초 특성 데이터를 제시 하였다.

[참 고 문 헌]

[1] Y. Honda, T. Nakamura, T. Higaki, Y. Tkeda, "Motor design Cosiderations and Test Result of an Interior Permanent Magnet Syncronus Motor for Electric Vechicles" IEE Proc. of Elecric Power Application, Vol. 145, No. 2, pp119-124, 1998

[2] Byung-Chae Yun; Kwang-Kyu Han; Dong-Yeup Lee; Gyu-Hong Kang; Ki-Bong Jang; Heung-Kyo Shin; Gyu-Tak Kim, "A study on the improvement of dynamic characteristics in Interior Permanent Magnet motor by rotor shape design" IEE Proc. of Elecric Power Application, Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008.

International Conference on, pp3126 - 3130, 2008