유한 요소 해석 기반 외전형 모터의 진동 특성 분석

Abstract

최근 전기 자동차에 대한 수요가 높아지며 파워 트레인의 핵심 부품인 모터의 고성능화를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그중 차세대 모터 시스템으로 개발 중인 인 휠 모터 시스템은 모터가 차량 바퀴 내부에 위치하여 동력 전달 과정에서 샤프트를 통하지 않아 동력 전달 과정에서 발생하는 손실을 저감할 수 있다. 그러나 인 휠 모터 시스템은 모터가 차량 외부에 위치하고 차량의 바퀴를 직접 구동하기 때문에 높은 주행 성능과 우수한 승차감을 위해서 기존 시스템과 보다 더 우수한 모터의 진동과 소음 특성이 요구된다. 진동과 소음 성능을 개선하기 위해서는 모터의 전자기적 가진원인 전자기력과 전자기력에 의한 변형에 대한 면밀한 분석이 필수적이다. 기존 외전형 모터의 진동 특성 분석은 다음의 세가지를 가정한다. 첫째 자기 저항이 커 모터의 전자기 에너지가 대부분 존재하는 공극에서 발생한 전자기력을 활용하여 진동을 분석한다. 둘째 외전형 모터의 진동, 소음 특성은 하우징에 근접한 회전자의 진동에 의해 결정된다. 셋째 모터의 진동은 전자기력의 방사 방향 성분에 의해 지배적으로 결정되므로 접선 방향 성분은 고려하지 않는다. 그러나 최근 연구 결과와 가정의 근거 부족으로 인해 위 분석 방식에 대한 검토가 필요하다. 최근 내전형 모터의 경우 공극에서의 전자기력이 아닌 실제 치에 인가된 전자기력을 활용한 분석의 필요성에 대한 연구와 Tangential Force 고려 필요성에 대한 연구 또한 활발히 이루어졌다. 그리고 고정자 또한 회전자와 동일하게 고정자 하우징에 근접하여 위치하므로 고정자의 진동이 외부 구조에 동일하게 전달될 것이므로 두번째 가정은 적절하지 않다. 이에 따라 본 논문에서는 첫째로 고정자의 치 구조에 의해 공극 전자기력의 변조 현상이 발생한다는 기존 연구를 바탕으로 10극 회전자 구조에 공간 2차, 8차의 전자기력을 인가하여 회전자의 영구 자석 구조에 의해서도 동일한 현상이 발생함을 보인다. 둘째로 전자기력의 방사 방향과 접선 방향 성분 간 위상 관계와 각 성분의 단위 힘을 인가 했을 때 발생하는 변형 간 위상 관계를 확인하여 각 전자기력 성분을 인가 했을 때 발생하는 변형 간의 보강, 상쇄 관계를 밝힌다. 그리고 40극 48슬롯과 56극 48슬롯 외전형 SPMSM의 두가지 동일 부하 포인트에서의 변형 크기 비교와 위 관계를 활용한 방사, 접선 방향 힘에 의한 변형량 구조해석 결과를 통해 고정자 진동 고려 필요성과 Tangential Force 고려 필요성을 밝힌다.