Computationally Efficient Electromagnetic-Thermal Coupled Analysis of PMSM considering AC Copper Loss and PM Eddy Current Loss

Abstract

최근 전기차(EV)에 대한 수요가 증가하면서 충전 시간이 전기차 시스템의 주요한 고려사항이 되었다. 대부분의 경량 EV에는 전압 범위가 300V~420V 인 배터리 팩이 장착되어 있는 반면, 대형 EV의 경우 800V의 배터리 팩이 장착되기도 한다. 하지만 경량 EV의 배터리도 전압이 증가하는 추세이다. 전압이 증가하면 충전 시간이 단축되고, 감소된 전류로 동일한 전력을 얻을 수 있으므로 커넥터 등의 구리 도선 무게를 크게 줄일 수 있다. 이러한 EV 시스템의 고전압화와 EV 구동 모터의 출력밀도 증가로 인해 구동 모터의 최대 속도가 증가한다. 고속화로 인한 손실 증가 및 고출력밀도화로 인한 방열 면적 감소로 인해 EV 파워트레인 시스템의 열관리가 중요해지고, 이에 따라 영구자석 동기전동기(PMSM)의 전자기-열 연성 해석의 필요성이 증가하고 있다. 따라서, 본 논문은 PMSM의 AC 동손과 영구자석 와전류 손실을 고려한 계산 효율적이고 정확한 전자기-열 연성 해석을 제안한다. 첫째, static 전자계 해석 결과를 후처리하여 충분한 정확도를 갖는 AC 동손 및 영구자석 와전류 손실의 계산 효율적인 해석 방법을 제안한다. 해석 결과는 정확도와 계산 시간의 관점에서 transient 전자계 해석 결과와 비교한다. 둘째, 위의 손실 해석 방법과 열 등가회로를 이용하여 전자계-열 연성 해석 방법을 제안한다. 연성 해석을 수행할 때 도체의 저항율, 영구자석의 잔류자속밀도와 열전달 계수 같은 온도에 의존적인 변수를 충분히 고려한다. 제안한 연성 해석 방법의 결과를 기존 연성 해석 방법의 결과와 정확도 및 계산시간의 관점에서 비교한다. 마지막으로, 제안된 손실 해석 방법은 권선 시편과 영구자석 시편을 사용한 E와 I 모양 코어의 비교적 간단한 시험 구성을 통해 검증한다. 또한 제안된 연성 해석 결과의 효용성 및 타당성을 제작된 PMSM 의 시험 결과 및 기존 연성 해석 방법의 결과와 비교하여 검증하였다. |As the demand of electric vehicle (EV) increases, the charging time became the major considerations for EV system. The majority of light EVs are equipped with battery packs with nominal voltage range between 300 V and 420 V, while for heavy EVs this voltage can reach up to 800 V. However, a change in trend is expected in the battery voltage of light EVs, and an increase in the direct current (DC) bus to 800 V systems is expected. With this change, the charging time could be reduced, and a substantial reduction in the conductive wire weight could be achieved since half the current will be handled for the same power. The trend of high voltage in EV systems and increased power density in EV traction motors make the maximum motor speed to be higher. With the increased losses and decreased area of heat dissipation due to high speed, the needs of electromagnetic-thermal coupled analysis of permanent magnet synchronous motor (PMSM) are increasing from the viewpoint of thermal management of EV powertrain system. Therefore, the computationally efficient and accurate electromagnetic-thermal coupled analysis of PMSM considering the AC copper loss and the PM eddy current loss is proposed in this study. First, the computationally efficient analysis methods of the AC copper loss and the PM eddy current loss with sufficient accuracy are proposed by post-processing the results of static electromagnetic analysis. The results are compared with the conventional method by the transient electromagnetic analysis from the viewpoint of accuracy and computation time. Then, the process of electromagnetic-thermal coupled analysis is suggested with the loss analysis above and the lumped parameter thermal network (LPTN). When the coupled analysis is conducted, the temperature-dependent parameters, such as the resistivity of conductors, the residual induction, and heat transfer coefficients, are fully considered. The results of proposed methods are compared to the results of the conventional method with the accuracy and the computation time. Finally, the proposed method of loss analysis is verified by comparing to the test with simple test set of E- and I- shaped core with the winding specimens and the PM specimens. Moreover, the effectiveness of the proposed coupled analysis is validated by comparing the proposed results with the test result of PMSM model and the result of conventional coupled analysis results.