하이브리드 자동차 구동용 모터 설계와 실험을 통한 파라미터 분석

Abstract

본 논문은 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 구동용 모터에 관한 설계 이론 및 프로세스를 설명하고 실제 제작된 모터를 실험하여 설계 시 고려된 모터의 파라미터와 실험결과를 비교 및 평가 하였다. HEV용 모터는 IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) type으로 영구자석을 rotor에 삽입하여 마그네틱 토크뿐 아니라 릴럭턴스 토크를 사용하여 출력을 높일 수 있다. 게다가 약계자 제어를 이용하여 한정된 전압을 가지고 고속영역까지 운전할 수 있기 때문에 넓은 운전영역을 사용할 수 있다. 모터 이론 부분에서 회전자계를 이용한 IPMSM의 구동원리 및 등가회로를 설명 후 모터 구동 시 사용되는 전류 벡터 제어방법에 대해서 설명하였다[1]. 설계 프로세스는 모터의 냉각조건을 고려하여 회전자의 초기size를 결정 하였고 공간고조파 프로그램을 사용하여 초기모델 결정 후, E-L map을 이용하여 parametric design을 하였다. Detail 모델 설계 후 등가회로를 이용하여 모터의 속도와 토크 변화에 따라 모터 전압, 전류, 역률, 손실 그리고 효율 등 특성해석 결과를 산정하였고 FEA를 통해서 이를 검증하였다. 그리고 영구자석은 온도 변화에 따라 동작점이 변화하기 때문에 동작온도를 고려하였다. 그리고 Rib 두께 결정 시 구조해석을 통해 고속에서 받는 응력이 재질의 항복응력 보다 작도록 설계 하였다. 실험을 통해 제작된 모터의 파라미터 및 특성 평가 시 발생할 수 있는 상황에 대해서 다루었다. 기존 논문에서는 실험 결과와 해석 결과만 비교하고 결론을 내렸지만, 본 논문에서는 고속약계자 운전영역에서 발생하는 전압부족현상, filter 사용여부에 따른 측정결과 차이 그리고 드라이브에서 PWM 제어 시 발생하는 current distortion 등 현상들에 대해서 설명하였으며, 향후 모터 실험 시 참고할 수 있는 guide line이 되도록 논문을 작성하였다. |This paper presents the theory and the design process of the HEV(hybrid electric vehicle) traction motor and the experiment method and compares the analysis results of parameters with experiment results to prove validity of the design process. The HEV traction motor is the IPMSM(interior permanent magnet synchronous motor) type which uses both the magnetic torque and reluctance torque through the structure of inserting magnet to the rotor. This facilitates the high torque as well as the high speed as using the flux weakening vector control. It is introduced the driving principle using the rotating magnetic field, the equivalent circuit and the vector control methods in the motor theory. The part of the design process presents the initial design using the analytic calculation method such as the space harmonic analysis and parametric design using the E-L map. This reduces the design period and the endeavor of designers. After designing the detail model, the characteristic analysis using the equivalent circuit is implemented to estimate the input voltage, current, power factor and efficiency for satisfying the demanded output. The parameters such as the back EMF(electromotive force), the phase resistance and the inductance of the manufactured motor are confirmed based on the experiments. This paper presents the experiment method to estimate the accurate inductance and provides users with the guideline of the measuring instrument but other papers present the confirming output power and efficiency of motor. There is the gap between the analysis and experiment result at analyzing the inductance of the motor. It explains the method to reduce the gap.; This paper presents the theory and the design process of the HEV(hybrid electric vehicle) traction motor and the experiment method and compares the analysis results of parameters with experiment results to prove validity of the design process. The HEV traction motor is the IPMSM(interior permanent magnet synchronous motor) type which uses both the magnetic torque and reluctance torque through the structure of inserting magnet to the rotor. This facilitates the high torque as well as the high speed as using the flux weakening vector control. It is introduced the driving principle using the rotating magnetic field, the equivalent circuit and the vector control methods in the motor theory. The part of the design process presents the initial design using the analytic calculation method such as the space harmonic analysis and parametric design using the E-L map. This reduces the design period and the endeavor of designers. After designing the detail model, the characteristic analysis using the equivalent circuit is implemented to estimate the input voltage, current, power factor and efficiency for satisfying the demanded output. The parameters such as the back EMF(electromotive force), the phase resistance and the inductance of the manufactured motor are confirmed based on the experiments. This paper presents the experiment method to estimate the accurate inductance and provides users with the guideline of the measuring instrument but other papers present the confirming output power and efficiency of motor. There is the gap between the analysis and experiment result at analyzing the inductance of the motor. It explains the method to reduce the gap.