연료전지자동차 공기압축기용 초고속 모터 권선의 소선 간 발생하는 순환전류의 원인 분석 및 저감 방안

Abstract

최근 환경규제로 인해 친환경 자동차에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 HEV, PHEV, BEV, FCEV와 같은 다양한 종류의 친환경 자동차가 개발되고 양산 중에 있다. 이들 중 Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV)에는 외부로부터 공기를 흡입해 압축하기 위해 공기압축기가 사용된다. 공기압축기를 구동하기 위해서는 초고속 모터를 사용해야 하며, 높은 전원주파수로 인해 손실이 크게 발생하는 단점이 있다. 또한 모터에서 발생하는 손실에는 철손, 동손, 영구자석 와전류손, 기계손 등이 있으며 모터 설계 시 이를 저감하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 초고속 모터의 고정자 권선에 소선과 Transposition을 적용하여 소선 간 순환전류에 의해 발생하는 AC 동손을 저감하는 연구를 진행하였다. 먼저, conductor에 전류가 인가 되었을 때 AC 저항이 발생하는 원인에 대해 살펴보았다. 이 후, slot open 구조가 있는 고정자 슬롯에 감겨있는 conductor에 교류를 인가하였을 때, 슬롯 누설 자속에 의한 자계 분포 불균형이 발생함을 확인하였다. 이는 각 conductor 사이의 전류밀도 분포 불균형을 발생 시키기 때문에 높은 전원주파수를 가지는 초고속 모터의 AC 저항 저감을 위한 연구의 필요성을 확인하였다. AC 저항을 저감하기 위한 여러 가지 방법 중 고정자 권선에 소선을 적용하여 일차적으로 손실을 줄였으나, 소선 가닥 사이에 임피던스 차로 인해 순환전류가 발생하는 것을 확인하였다. 그래서 이를 줄여 AC 저항을 저감하기 위해 소선이 적용된 모델에 Transposition을 적용하였다. 마지막으로 단선, 소선, 소선과 Transposition이 모두 적용된 모델에 각각 AC 동손 및 효율을 비교한 결과 소선과 Transposition이 모두 적용된 모델이 AC 동손이 가장 낮고 효율이 높음을 확인하였다. |As research on eco-friendly vehicles is actively researched due to recent environmental regulations, various types such as HEV, PHEV, BEV, and FCEV are being developed and mass-produced. Among them, an air compressor is used in FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) to inhale in and compress external air. In order to drive the air compressor, an Ultra-High-Speed motor must be used, and there is a disadvantage in that a large loss occurs due to the high power frequency. Losses include iron loss, copper loss, and mechanical loss, and it is important to reduce them when designing a motor. In this paper, a study was conducted to reduce the AC copper loss caused by the circulating current between the strands by additionally applying the transposition to the stator winding of the Ultra-High-Speed motor to which the strands are applied. First, the cause of AC resistance when current flows through the conductor was investigated. After that, when a current was applied to the conductor wound on the stator slot with the slot opening, it was confirmed that the magnetic field distribution imbalance due to the slot leakage magnetic flux occurred. Since this causes an imbalance in the distribution of current density between each conductor, the need for a study on a method for reducing AC resistance in a motor having a high power frequency was confirmed. Among the various methods to reduce AC resistance, loss is primarily reduced by applying a strand to the stator winding, but circulating current occurs due to the impedance difference between each conductor. Transposition was applied to the model to which the strand was applied to reduce AC resistance by reducing this. Finally, as a result of comparing the AC copper loss and efficiency of the models to which single wire, strand, strand and transposition were applied, it was confirmed that the model to which strand and transposition was applied had the lowest AC copper loss and the highest efficiency