운전 제어특성을 고려한 견인용 영구자석 동기전동기 설계에 관한 연구

Abstract

최근 석유 가격의 급격한 상승과 지구환경 등에 대한 관심이 커지면서 전기자동차나 하이브리드 전기자동차와 같은 견인용 전동기 개발에 있어서 영구자석 매입형 동기전동기에 대한 관심이 매우 높아져왔다. 수년간의 연구를 통해 HEV와 같은 견인용 전동기로 출력 밀도가 높고, 고효율이면서 동시에 넓은 운전 범위를 가질 수 있는 IPMSM이 많이 사용되면서 저가격화에 대한 요구도 증가하고 있다. 이러한 목적을 위해, 설계 초기단계 즉 IPMSM의 구체적 설계 이전단계에서, 차량의 운전 제어방식을 고려하면서 시스템의 성능, 에너지 효율 및 운전 범위 등을 정확히 평가하기 위한 견인 전동기의 동적 특성 해석이 필요하다. 본 논문에서는 IPMSM의 구체적 설계 이전에, 차량의 운행 정격을 만족시키면서 시스템 성능을 검증할 수 있는 특정 파라미터를 미리 선정하여 모델링할 수 있는 새로운 설계 절차를 제안한다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘은 IPMSM의 수학적 모델에 기반하여 유도하였으며, 특히 자석의 자속량과 전기자 반작용에 의한 감자력이 동일할 때 얻을 수 있는 무한대의 정출력 조건을 얻을 수 특성을 이용하였다. 설계의 초기 단계에서는 견인 차량의 기본 제원과 운전 목표 성능으로부터 견인용 IPMSM의 회전력, 전류 및 속도 특성을 먼저 구한다. 이렇게 결정된 IPMSM의 최종 성능 목표를 기준으로 제안된 알고리즘을 이용하여 특성 파라미터를 구하고 동시에 차량의 주행 제어를 고려한 전체 시스템 성능을 평가한다. IPMSM의 구체적 설계 전에 검토되고 결정된 파라미터를 기준으로 수치해석 방법을 이용하여 실제 견인전동기를 설계하여 제작하고 설계 자료와 시험 값을 서로 비교하였다. 이러한 설계 및 시제품의 특성 시험 자료의 비교를 통하여, 본 논문에서 새로 제안한 설계 절차가 유효하고 설계 기간을 줄일 수 있음을 입증하였다.