자동차 제동 시스템용 모터의 코깅토크 특성 개선 연구

Abstract

전세계적으로 미세먼지로 인한 사회적 이슈가 증가하고 있는 상황에서 환경보호를 위한 이산화탄소 저감을 위하여 자동차 산업에서도 친환경 자동차의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대부분의 국가에서 정부의 지원 하에 친환경 차량의 생산 및 수요가 지속 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 브레이크 시스템도 내연기관의 엔진 에너지를 이용하여 부스터를 동작시킴으로써 추력을 배가하는 기존의 제동 방식에서 BLAC 모터를 사용하여 직접 제동을 수행하는 방식의 개발이 활발해지고 있다. 자동차의 제동시스템에 사용되는 BLAC 모터는 신속한 제동을 위하여 출력밀도의 향상이 매우 중요하며, 구조적으로 출력을 보완하기 위하여 중공형 샤프트를 사용한 Ball Screw Type이 적용되어야 하므로 기존 내연기관 대비하여 속도 변경에 따른 소음 문제 저감 및 위치제어를 위하여 코깅 토크 저감 설계가 매우 중요하다. 본 논문에서는 자동차 제동 시스템 모터의 코깅 토크 산포 저감에 대하여 연구하였다. 코깅 토크의 고조파 차수 분석을 통해 10극 12슬롯 모터에서 10차 성분 및 12차 성분의 코깅 토크 발생 원인을 분석하고 주 인자의 영향도를 유한요소해석을 통해 확인하였다. 이 영향도 해석 결과를 활용하여 코깅 토크 실측 파형을 유한요소해석을 통해 재현하여, 주 인자의 영향도 해석의 타당성을 확보하였다. 한편, 코깅 토크 평균 및 산포의 현수준 파악을 위해 1차 시제품 19대를 제작하여 측정하였으며, 주파수 분석을 통해 12차 성분이 산포 발생의 주 요인인 것을 밝히고, 회전자 영구자석의 부품 산포 및 조립 공차에 의해서 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 부품 산포 및 조립 공차가 존재하더라도 코깅 토크의 변화에 둔감하도록 다구찌 기법을 사용하여 강건 설계를 진행함으로써 코깅 토크 Overall 값 및 12차 성분의 산포를 개선하였다. 코깅 토크의 산포 개선 효과를 확인하기 위하여 2차 시제품 30대를 제작하였으며, 성능 측정을 통하여 산포 개선 효과를 확인하였다.; In the face of increasing global social environmental issues such as particular matter, the research of eco-friendly automobiles is actively carried out in the automotive industry in order to reduce CO2 for environmental protection and in most countries, under the support of the government, production and demand of eco-friendly vehicles is continuously increasing. Accordingly, the directly braking by using the BLAC motor has been actively developed from the conventional braking system which the thrust force is increased by operating the booster as using the engine energy of the internal combustion engine. The BLAC motor’s output density improvement used in the braking system of a vehicle is very important for prompt braking. Since a ball screw type using a hollow shaft is applied to compensate the output structurally, a cogging torque reduction design is crucial in order to reduce the noise and control the position of the speed change compared to the conventional internal combustion engine. In this study, the reduction of the cogging torque variation in the braking system motor is investigated. By analyzing the harmonic order of cogging torque, the cause of 10th and 12th order cogging torque in 10-pole/12-slot motor configuration and the effect of main factor are studied through finite element analysis. This effect is reproduced through the finite element analysis of the cogging torque actual waveform by using the analysis result and the validity of the influence of the main factor is proved. Meanwhile, the first 19 prototypes were built and measured to define the current level of the cogging torque average and variance. Frequency analysis showed that the 12th order was the main factor of the variance and it has been verified due to the component and assembly tolerance of the rotor permanent magnets. Accordingly, the motor is robustly designed to be insensitive to changes in cogging torque even with component and assembly tolerances and the variance of 12th order and cogging torque was improved by using the Taguchi method. It has verified for the improvement of the variance of cogging torque based on the second 30 prototypes built test result.