Dy-free 영구자석의 기여도 분석을 통한 불가역 감자 저감 설계에 관한 연구

Abstract

최근 자석에 희토류 원소를 포함하는 PMSM이 높은 전력밀도, 고효율, 우수한 열 안정성으로 인해 널리 사용되고 있다. 그러나 희토류 원소는 가격 불안정과 제한된 공급으로 미래산업으로 많은 단점을 가지고 있다. 또한 중희토류를 배제한 자석(Dy-free)은 낮은 보자력으로 인하여 온도 특성이 매우 좋지 않다. 그렇기 때문에 dy-free 자석은 불가역 감자에 매우 취약하다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 dy-free 자석을 적용하여 NdFeB 자석과 동일한 성능과 불가역 감자율을 만족할 수 있는 연구를 수행하였다. Hybrid Traction용 전동기에 dy-free 자석을 적용하여 회전자 및 영구자석 형상 설계를 수행하였다. 먼저 불가역 감자에 유리한 회전자 형상인 v-shape type을 제안하였다. 그 후 영구자석에 미소 체적 별 역기전력 기여도 분석을 구하기 위해 새로운 쇄교자속 식을 제안하였고, 이 식을 바탕으로 FEM을 통해 결과를 도출하였다. 이를 통해 영구자석에 미소 체적 별 역기전력을 분석하였고, 불가역 감자 영역을 역기전력 기여도가 낮은 부분으로 이동시켜 불가역 감자를 개선하였다. 이때 불가역 감자 영역을 줄이거나 이동시키는 방법으로 본 논문에서 2가지를 제안하였다. 첫 번째로 불가역 감자에 통로 확보를 위해 bridge와 barrier에 강판을 삽입하는 것이다. 이를 통해 불가역 감자를 개선하였다. 두 번째로는 불가역 감자가 많이 일어나는 지점 앞에 air-hole을 삽입하였다. Air-hole 삽입 시 고정자 코일에서 나오는 자속의 방향을 바꾸어 주어 불가역 감자 영역을 이동시킬 수 있다. 이를 통하여 불가역 감자율을 개선하였다. 마지막으로 시뮬레이션을 통하여 성능 및 감자율을 분석하였고 시작품 제작을 통하여 시뮬레이션 결과와 비교 분석하여 타당성을 검증하였다.|Recently, PMSMs containing rare earth elements in magnets have been widely used due to their high power density, high efficiency, and excellent thermal stability. However, rare earth elements have many disadvantages in the future industry due to price instability and limited supply. Also, magnets excluding rare earth (dy-free) have very poor temperature characteristics due to low coercive force and are vulnerable to irreversible demagnetization. Therefore, in this paper, a study was conducted to satisfy the same performance and irreversible demagnetization rate as NdFeB magnets by applying dy-free magnets. A dy-free magnet was applied to the hybrid traction motor to design the rotor and permanent magnet shape. First, the v-shape type, which is a rotor shape advantageous for irreversible demagnetization, was proposed. Then, a new flux linkage equation was proposed to obtain the back-EMF contribution analysis depending on different micro volume in the permanent magnet. Based on this equation, it was calculated through FEM. Through this, the back EMF per micro volume of the permanent magnet was analyzed, and the irreversible demagnetization was improved by moving the irreversible demagnetization area to a part with a low back EMF contribution. To reduce of move the irreversible demagnetization area, two methods were proposed. First, inserting a steel plate into the bridge and barrier to secure a passage for irreversible demagnetization. At this time, two methods were proposed in this paper as a method to reduce or move the irreversible demagnetization area. First, a steel plate is inserted into the bridge and barrier to secure a passage for irreversible demagnetization. The second is to insert an air-hole before the point where irreversible demagnetization occurs a lot. The irreversible demagnetization area can be moved by changing the direction of the magnetic flux from the stator coil when inserting the air-hole. These methods can be used to improve irreversible demagnetization rate. The performance and demagnetization rate were analyzed through simulation, and the validity was verified by comparative analysis with the simulation results through the production of prototypes.