카본 슬리브를 적용한 리브리스 IPMSM 모터 설계

Abstract

In recent years, the popularity of electric vehicles is increasing as environmental issues and regulations on internal combustion engines are strengthened. Many companies are trying to develop high-performance electric vehicles that can replace internal combustion engines. Many studies have been conducted to realize high fuel efficiency, and to this end, high torque density is required. In general, a permanent magnet machine with high torque density and efficiency is used as an electric vehicle traction motor. Particularly, an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) that can enhance reluctance torque using saliency is widely used. However, this type of motor has a disadvantage in that a leakage flux occurs in the rib, and thus the airgap flux density decreases. In this paper, we propose and design new shape of motor which can improve the performance. A new rotor shape is presented which can remove the leakage flux path, which is the cause of the decrease in airgap flux density, and relieve the stress generated in the rotor by applying a sleeve. The initial model is designed using Equivalent Magnetic Circuit(EMC). The number of poles and slots are determined in consideration of highperformance vehicle characteristics, and the initial model rotor shape is determined using EMC. After constructing a circuit, we express the permeance, airgap flux density, and back electromotive force of each component in a formula. The airgap flux density and back electromotive force calculated using EMC were compared and verified with the FEA results. We determine the stator shape of the initial model that satisfies the performance by checking the torque according to the phase angle, slot area, and yoke width. Optimal model was designed based on an initial model. The optimal design variables are defined as the variable that affects the volume of the motor, the stress on the rotor, the maximum torque at base rpm, and the torque ripple and efficiency at the main operating point. The main operating point was selected as the operating point with the highest frequency through EV simulation. Sampling points are generated using OLHD and SMDD, and a Kriging surrogate model is generated using the finite element analysis results of each sampling point. The validity of the Kriging surrogate model is verified using LOOCV and the optimal point is predicted through SQP. The shapes of the initial model and the optimal model were compared and the performance was verified through finite element analysis. The volume of the motor decreased by 2.18%, the efficiency increased by 0.09% and the torque ripple decreased by 25.89%. In addition, the Rib-less IPMSM was designed so that the stress generated by the rotor does not exceed the yield strength of the carbon.| 최근에는 환경 이슈와 내연기관에 대한 규제가 강화되면서 전기차의 인기가 높아지고 있다. 많은 기업들이 내연기관을 대체할 수 있는 고성능 전기차를 만들기 위해 노력하고 있다. 높은 연비를 실현하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있는데, 이를 위해서 높은 토크 밀도를 요구한다. 일반적으로 전기차 구동 모터로 토크 밀도와 효율이 높은 영구자석 기기를 사용한다. 특히 회전 자 형상의 돌극성을 이용하여 릴럭턴스 토크를 강화할 수 있는 Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM)을 많이 사용한다. 하지만 이러한 유형의 모터는 리브에서 누설자속이 발생해 공극자속밀도가 감소하는 단점이 있다. 본 논문에서는 모터의 성능을 개선할 수 있는 새로운 형상을 제안하고 설계한다. IPMSM에서 공극자속밀도가 감소되는 원인인 누설자속 경로를 제거하고, 슬리브를 적용하여 회전자에 발생하는 응력을 완화할 수 있는 새로운 회전자 형상을 제시한다. 초기설계는 자기등가회로를 활용하여 진행한다. 고성능 차량 특성을 고려하여 극 수 및 슬롯 수를 정하고, 자기등가회로를 활용하여 초기모델 회전자 형상을 결정한다. 회로를 구성하고 각 component의 퍼미언스, 공극자속밀도 및 역기전력을 수식으로 나타낸다. 자기등가회로를 활용하여 계산한 공극자속밀도와 역기전력을 FEA 결과와 비교 및 검증하였다. 초기모델 고정자는 위상각, 슬롯 면적, 요크 폭에 따른 토크를 확인하여 성능을 만족하는 고정자 형상을 결정한다. 초기모델로 최적설계를 진행하였다. 모터의 부피, 회전자에 발생하는 응력, base rpm에서 최대토크 그리고 주운전점에서 토크리플 및 효율에 영향을 미치는 변수를 최적설계 변수로 정한다. 주운전점은 EV simulation을 통해 빈도수가 가장 높은 operating point로 선정하였다. OLHD와 SMDD를 이용하여 실험점을 생성하고, 각 실험점의 유한요소해석 결과를 활용하여 Kriging surrogate model을 생성한다. LOOCV를 사용하여 Kriging surrogate model의 유효성을 검증하고 SQP를 통해 최적점을 예측한다. 초기모델과 최적모델의 형상을 비교하고 유한요소해석을 통해 성능을 검증하였다. 모터의 부피는 2.18% 감소하였고 주운전점에서 효율이 0.09%p 증가, 토크리플이 25.89%p 감소하였다. 또한 회전자에 발생하는 응력이 카본의 항복강도를 넘지 않는 Rib-less IPMSM을 설계하였다.