토크 특성 개선을 위한 Consequent Pole 동기전동기의 최적 설계

Abstract

최근 전기자동차(EV: Electric Vehicle) 어플리케이션에 대한 전동기의 수요가 높아지면서 고밀도, 고효율에 대한 요구가 높아져 왔다. 표면부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM: Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine)는 고성능 및 단순하고 실용적인 구조 때문에 다양한 산업용 어플리케이션에 적용되었다. SPMSM은 영구자석이 회전자 표면에 부착되고 회전자의 위치변화에 따라 자기저항이 변화하지 않으므로, 인덕턴스가 일정한 값을 가지는 특징이 있다. 이러한 d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스가 같은 비돌극기의 경우 전동기의 구동제어 시 전류를 q축에 일치하도록 제어하면 영구자석의 중심축과 고정자 권선에 흐르는 전기자 전류가 90°가 되어 최대 토크를 얻을 수 있으며, 그로 인해 비교적 제어가 간단한 장점이 있다.

한편 2000년대 이후 희토류 소재의 영구자석을 사용한 전동기의 성능이 크게 높아지면서, 산업전반에서 희토류를 사용한 전동기의 개발이 이루어졌다. 하지만, 2010년도 중국에서 시작된 희토류 원가의 급등은 전동기의 원가에 큰 영향력을 가졌다. 이에 따라, 전동기의 희토류 자석 사용량을 줄이는 것이 중요한 이슈로 부각되고 있으며, 해결방안으로는 매우 소량의 희토류만을 사용하거나, 희토류를 사용하지 않는 전동기가 제안되었다. 특히, 릴럭턴스 토크를 가지는 전동기의 구조 형상연구, 저렴한 가격의 페라이트 자석을 사용하는 모델에 대한 연구, 컨시컨트 폴(CP: Consequent Pole)을 활용하여 자석의 사용량을 저감하는 모델에 대한 연구가 대표적이다. 그 중 컨시컨트 폴 전동기(CPM: Consequent Pole Machine)는 일반적인 SPMSM에 비해 자석사용량을 50%로 줄일 수 있지만, 자석 사용량 감소에 따른 토크 성능저하가 필연적이다. 따라서, 본 논문에서는 CPM이 가지는 단점을 개선하기 위한 전동기의 회전자 형상을 제안하였다. 먼저 SPMSM의 초기설계를 위하여 법을 이용하여 설계를 진행하였다. 법으로 얻은 설계 결과를 유한요소해석법(FEA: Finite Element Analysis)을 통해 검증하고 검증결과 만족할 수준을 얻으면 상세한 설계를 진행하였다.

다음 과정으로 SPMSM에 CP를 적용하면, 이를 컨시컨트 폴 동기전동기(CPSM: Consequent Pole Synchronous Machine)라고 부르며, 이 전동기가 가지는 낮은 토크성능을 개선하기 위해 회전자 형상에 대한 설계 변수의 영향도 분석을 진행하였다. 영향도 분석을 위해서 다양한 실험계획법(DOE: Design of Experiments) 중에서 평균분석(ANOM: Analysis of Means)과 분산분석(ANOVA: Analysis of Variance)을 통해 목적함수에 대한 응답특성을 확인 하였으며, 가장 영향도가 큰 설계 변수를 선정하였다. 최적 설계를 위하여 라틴하이포큐브 샘플링(LHS: Latin Hypercube Sampling)을 통해 실험 설계 프로세스에 따라 샘플링 포인트를 선택하였다. 이후, 크리깅(Kriging Method)를 이용하여 근사 모델링을 하였고, 이를 유전알고리즘(GA: Genetic Algorithm)을 이용하여 목적함수와 제한조건을 포함하는 최적 모델을 제안하였다.

최종적으로 최적 설계를 통해 도출된 설계변수에 대한 타당성을 검증하기 위하여 유한요소해석법(FEA: Finite Element Analysis)을 통하여 conventional SPM, conventional CPM, proposed CPM 3가지 모델을 비교하였으며, 제안된 모델이 conventional CPM모델에 비해 16% 높은 영구자석 체적 당 토크값을 가졌으며, 코깅토크와 토크리플이 각각 68%와 75% 개선되어 제안된 모델의 우수성을 검증하였다.