회전자 Step skew가 적용된 표면 부착형 영구자석동기기의 2D 및 3D 코깅 토크 오차 원인 분석

Abstract

최근 자동차의 기계적인 시스템에서 전기적인 시스템으로의 변화가 일어나고 있다. 그 중 대표적인 것은 조향 장치이다. 기계적인 축으로 연결된 EPS(Electronic Power Steering) 방식에서 전기적 신호로 조향 시스템을 제어하는 SBW (Steer by wire) 방식으로 변화하고 있다. SBW 시스템은 차량 바퀴를 조향 하기 위해 필요한 모터와 EPS 시스템과 유사한 조향 반력을 생성하는 데 필요한 반력 장치용 모터로 구성되어 있다. 이때 반력 장치용 모터의 성능은 운전자의 조향감에 영향을 주게 된다. 따라서 모터에서 발생하는 진동 성분은 운전자의 악영향을 미친다. 따라서 반력 장치 모터의 진동 저감 설계는 필수적이다. 모터 진동은 방사 방향에 의한 진동과 코깅 토크와 토크 리플과 같은 축 전달 진동이 존재한다. 조향 시스템에서 축으로 전달되는 진동이 운전자의 조향감에 악영향을 미치기 때문에 코깅 토크와 토크 리플과 같은 진동 성분을 감쇠 시키는 것이 중요하다. 그 중 코깅 토크는 토크 리플과 달리 제어를 통해 감쇠 시킬 수 없으므로 코깅 토크를 최소화하는 설계가 중요하다. 코깅 토크를 줄이기 위한 방법으로는 회전자 측면에서는 skew와 편심 적용, 고정자 측면에서는 chamfer, notch 등이 존재한다. 이 중 특정 고조파 차수의 코깅 토크를 상쇄시켜 저감하는 회전자 skew가 가장 효과적이다. skew를 적용한 모터의 특성을 신속하게 분석하기 위해 2D FEA를 이용한다. 특정 고조파 차수를 상쇄시키는 skew angle을 계산하며, skew 단의 개수에 따라 skew angle을 나눠 적용한다. 하지만 제작 모터에서 2D FEA 기준 상쇄되는 특정 고조파 성분은 상쇄되지 않고 측정된다. 이를 분석하기 위해 3D FEA을 이용하였으며, 그 결과 제작 모터의 측정 결과와 유사하게 특정 고조파 차수는 저감이 되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 8극 12슬롯 SPMSM (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 이용하여 2D FEA와 3D FEA와의 차이를 분석하였으며, Z축위치 별 공극 자속 밀도와 코깅 토크를 통해 오차 원인 분석을 진행하였다.