EV/HEV용 매입형 영구자석 동기전동기의 최적 설계 및 제어 특성 연구

Abstract

최근 화석 연료 사용으로 인한 대기 오염과 화석 연료 고갈이 심각한 사회적 문제로 대두되면서 엔진 구동 시스템에서 전동기 구동 시스템으로의 차량의 패러다임 변화가 급격히 요구되고 있다. 무엇보다도 EV 및 HEV와 같이 다양한 방식의 견인 시스템에 전동기의 적용이 확산되고 있는 데에는 전력변환 기술에 의한 가변속 제어 성능과 전동기의 고효율, 고출력화 설계 기술 향상이 그 밑바탕을 이루고 있다. 차량 견인용 전동기는 가속 및 고속 성능과 일충전 주행거리의 최대화를 만족시키기 위해 저속 고토크, 광역의 정출력, 전 운전범위에서의 고효율 등의 개발 목표가 존재한다. 이러한 운전 특성을 만족시키기 위해 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 모두 이용하는 매입형 영구자석 동기 전동기가 차세대 차량 견인용 전동기로 적합함이 실증되고 있다. 본 논문에서는 EV 및 HEV용 매입형 영구자석 동기 전동기의 축소모델로써 요구 출력을 먼저 선정하고, 자기회로법을 이용하여 견인 전동기의 제약 조건을 고려한 기본 설계를 수행하였다. 전기자동차용 견인 전동기는 소형, 고출력화가 요구되므로 자속과 관련된 전동기 파라미터들이 비선형 특성을 가지고 있으므로 유한요소법에 의한 전자장 해석을 적절히 수행하여 설계 보완과 상세 설계가 수행되어야 한다. 또한 영구자석 배치에 있어서의 영구자석 회전자의 설계 자유도가 매우 크므로 여기에서는 다구찌법과 요인배치법을 이용하여 효과적으로 회전자의 최적 설계를 수행하는 방법에 대하여 연구하였다. 견인 전동기의 경우 광역 정출력 영역을 위하여 일반적으로 약자속 제어가 포함된 최대출력제어를 이용하는데, 본 논문에서는 유한요소법으로 계산한 매입형 영구자석 동기 전동기의 비선형 파라미터들을 이용하여 직접 전동기 제어 특성을 시뮬레이션 할 수 있도록 알고리즘을 제시하였다. 특히 총 토크를 인덕턴스를 이용하여 릴럭턴스 토크를 분리함으로써 릴럭턴스 토크가 약자속 제어에 얼마나 큰 영향을 미치는가를 분석하였다. 마지막으로 본 논문에서 설계된 세 가지 회전자 모델을 제작하여 제반 특성을 비교함으로써 논문에서 제시된 설계, 해석, 제어법의 타당성을 검증할 수 있었으며 향후 매입형 영구자석 전동기의 설계방향에 기준을 설정할 수 있게 되었다. 본 논문에서 적용된 설계 기법, 전자장 해석을 통한 상세 설계법, 파라미터 추출 해석법 및 전동기 비선형 파라미터를 이용한 운전 특성 시뮬레이션 연구가 향후 전기자동차의 구동시스템 연구 개발 및 상용화에 도움이 될 것이다.; A paradigm shift in driving system of transportation vehicle from engine to electric motor is required as the problems on air pollution and drain of petroleum resource are on the rise. Moreover while it is possible to control the motor with variable frequency driver, the application of motor in various kinds of vehicles is spread rapidly. Traction motor for electric vehicle or hybrid electric vehicle should be designed aimed at capacities for high torque at low speed, constant power with wide speed range, high efficiency at all driving region and maximization of limit speed in order to satisfy acceleration performance and running distance capacity on one battery charge of vehicle. Therefore, interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) generating reluctance torque as well as magnetic torque is suitable for the traction moor of next generation electric vehicle and hybrid electric motor. In the paper, the effective design method of IPMSM for EV and HEV by using equivalent magnetic circuit and finite element method (FEM) is suggested. Because it is difficult to design the permanent magnet rotor of IPMSM from experience, optimal design methods according to barrier shapes are proposed by experimental design method which experiment is substituted by analysis by FEM. Next the parameters related to performance of maximum power control algorithm are calculated by FEM considering nonlinearity because of magnetic saturation on the core. So performance characteristics according to speed considering flux weakening control can be analyzed by these nonlinear parameters. This paper presents design, analysis, control performance and experiment method of IPMSM with three kinds of rotor type in sequence. The proposed methods can be a design standard of IPMSM for EV and HEV.