Duplex 3상 IPMSM 성능해석 방법 및 설계

Abstract

내연기관에 대한 규제가 강화되면서 전기차의 인기는 높아지고 있다. 대부분의 전기차는 구동모터로 토크 밀도와 효율이 높은 영구자석 매입형 동기기를 사용한다. 하지만 소형 SUV에 국한되었던 전기차 시장이 상용차 및 고성능 차량으로도 확장되면서, 파워트레인의 고성능화를 요구한다. 성능화를 위해 기업들이 선택하는 방법 중 하나는 일반적인 3상 모터가 아닌 Duplex 3상 모터를 구동모터로 선정하는 것이다. Duplex 3상모터는 권선계수가 변함에 따라 3상모터에 비해 높은 토크밀도를 가지고 낮은 토크리플과 신뢰성 등의 장점을 가진다. 특히, 800V급의 고전압을 사용하는 전기차의 경우, 고전압 고전류를 감당하는 대용량 인버터 개발이 어려운데, Duplex 3상의 경우는 상대적으로 작은 용량의 인버터 2개를 활용하여, 1개의 모터로 높은 토크를 발생시킨다.

본 논문에서는 Duplex 3상 매입형 영구자석 동기기 (IPMSM)를 연구대상으로 선정해 해당 모터의 성능을 해석하는 방법과 설계하는 과정 제시한다. 모터 형상 치수들을 여러 설계변수로 선정해, 주운전점에서의 효율 최대화를 고려한 최적설계를 진행하였다.

우선 듀얼3상 IPMSM의 정의와 특징에 대해 설명한다. 듀얼3상 IPMSM의 수학적 모델링을 제시하고, 그 수학적 모델링의 파라미터를 구하기 위한 과정이 기술되어 있다. 전류 크기와 위상각 별 인덕턴스 해석 방법, 철손 해석 방법 그리고 그 파라미터를 통한 전압, 토크 등의 성능특성을 구하는 방법을 기술하였다. 특히 기존 FPM을 적용하여 성능해석에 필요한 인덕턴스 성분들과 계자 쇄교자속을 구한 것에 비해, 기존 3상 IPMSM 성능해석 프로그램을 활용하는 방향의 Duplex 3상 성능해석 방법을 제시한다.

그리고 차량 전비를 고려한 SIMULINK 시뮬레이션 모델을 활용하여, WLTP 주행사이클에서 모터의 RPM&토크의 분포를 구한 뒤, 운전 영역에서의 가장 빈도수가 높은 운전점을 결정했다. 설계 변수를 선정해서 ANOVA 분산분석을 통해 각 설계 변수의 변화에 따른 주운전점에서의 효율에 대한 민감도 분석을 진행했다. 그 이후 최적화를 진행하였는데, 두 실험점 사이의 최소 거리가 최대가 되는 OLHS 및 SMDD를 이용해서 실험점을 결정하였다. 모든 실험점에 대해서 성능 해석을 진행하고 상관 함수를 이용하여 크리깅 대체 모델을 생성하였다. 크리깅 대체 모델을 기반으로 최적점을 확인하였다.