IPMSM의 극수에 따른 고출력 달성을 위한 회전자 형상 설계 기법

Abstract

본 논문에서는 Hils 연계 제어특성 검증을 위한 유도전동기 시험용 부하모터 설계에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 시험에 사용될 도시철도차량용 유도기의 부하특성과 동일하게 설계 포인트를 설정한 후 고출력밀도를 만족하기 위해 희토류계의 네오디뮴 자석(N38UH)를 회전자에 매입하였으며, 낮은 스위칭 주파수를 고려하여 제어의 용이성을 위해 비교적 낮은 4극 18슬롯 IPMSM 기초 설계 모델을 도출하였다. IPMSM의 설계 시, 극호율이 클 경우 높은 토크를 내기위해 Web과 Rib 폭을 자속밀도가 2 이상이 되도록 얇게 설계하여 Web과 Rib을 통한 마그네틱 자속의 누설을 최소화한다. 그러나 본 논문에서는 고속 회전 시 회전자에 가해지는 기계적 스트레스를 견딜 수 있는 기계적 강도를 유지하는 범위 내에서 Rib을 최대한 얇게 설계하여 Rib을 통한 마그네틱 자속의 누설을 최소화하는 반면, Web은 자속밀도가 포화되지 않도록 기초 설계 모델의 Web보다 넓게 설계하여 Rotor Yoke를 q축 자로로 활용하였다. 그 결과, 기존에 q축 자로로 활용되던 Pole piece와 함께 Rotor Yoke를 q축 자로로 활용함으로써, q축 인덕턴스가 증가하게 되었다. 이것은 d, q축간의 인덕턴스 차가 더욱 커지게 하여 릴럭턴스 토크를 크게 증가 시키게 되었다. 이를 통해 기존의 방식으로 설계된 기초설계 모델보다 더욱 높은 출력을 달성할 수 있는 IPMSM을 도출할 수 있었다. 또한, 기계적 스트레스 해석 결과 Web을 확장으로 인해 회전자에 가해지는 기계적 스트레스에 기계적으로 더욱 강인한 회전자 구조를 가지는 IPMSM 최종 모델을 도출할 수 있었다. 추가적으로, 4극 18슬롯 IPMSM이외에 4극 36슬롯과 12극 36슬롯 IPMSM설계 후 동일한 회전자 설계기법을 적용함으로써 제안된 고출력 달성을 위한 회전자 설계 기법의 유효함을 검증하였다.