A Study on Rotor Shape Design to Reduce Torque Ripple and Core Loss of IPMSM for SEV

SEV용 IPMSM의 토크리플 및 철손 저감을 위한 회전자 형상 설계에 관한 연구

Abstract

As interest in eco-friendly and fuel-efficient electric vehicles has increased globally, there has also been a growing interest in the efficiency, vibration, and noise of motors for electric vehicles Electric vehicles generally have significantly lower driving ranges per charge compared to the maximum driving range per fueling of internal combustion engine vehicles. Additionally, there are issues with various vibrations and noise generated by the motor that can cause discomfort for passengers. Therefore, research is necessary to reduce losses, vibration, and noise of the motor to improve the driving range of electric vehicles. IPMSM with a purchased design can obtain additional reluctance torque by utilizing the difference in inductance between the d and q axes. However, due to this reluctance torque, torque ripple occurs larger than other motors. The increase in torque ripple also increases noise and vibration. Since the reluctance torque, which is the main cause of torque ripple, is determined by the shape of the motor components, torque ripple can be reduced through shape optimization. In this paper, a rotor shape for reducing torque ripple and core loss that causes vibration, noise, and efficiency to decrease of IPMSM for electric vehicles was proposed. Optimization design was carried out by changing the shape of the q-axis path of the rotor to reduce the difference in inductance of the d and q-axis of the rotor. Finally, in order to verify the validity of the design variables derived through the optimal design, the original model and the improved model were compared through the FEM. Compared to the original model, the improved model's torque verifying ripple was reduced by about 62% and core loss was reduced by about 29%, the superiority of the improved model.

1. 서 론

전 세계적으로 소형전기자동차는 연간 1,000만 대가 생산되며 핵심부품인 트랙션 모터는 2조 4천 억 원의 큰 시장을 형성하고 있다. 이처럼 소형전 기자동차의 관심이 높아짐에 따라 소형전기자동차 전동기의 저속 운전에서의 진동 및 소음을 저감 하기 위한 연구의 중요성이 대두되고 있으며, 소음 의 주요 원인이 되는 토크 리플을 저감 하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. IPMSM은 영구자석 을 회전자 철심에 매입하여 기계적으로 강인한 회 전자 구조로 d, q축 인덕턴스 차이에 의해 발생한 릴럭턴스 토크가 마그네틱 토크와 결합하여 단위 체적 당 발생하는 토크가 SPMSM 보다 크다[1]. 그러나 영구자석 사이의 릴럭턴스 차이로 인해 토 크 리플이 발생한다. 또한 영구자석의 종류에 따라 브릿지 경계에 잔류 자속밀도에 의한 자속 변화가 생겨 토크 리플이 증가한다. 토크 리플은 전동기의 진동과 소음, 그리고 효율의 저하를 유발하며 제어 가 어려워지고 전동기 구동 시스템에서 전류의 왜 곡뿐만 아니라 고장 발생의 원인이 되며 운전 특 성상 고속에서 높은 주파수 특성으로 인하여 철손 이 많이 발생하기 때문에 열화에 의한 자석 감자 위험 및 효율 저하의 원인이 된다. 전기기기에서 손실은 기기의 운전조건이나 효율을 결정하는 중요 한 요소이므로 이러한 손실을 정밀하게 예측하여 설계하는 것이 매우 중요하다[2].

본 논문은 SEV용 IPMSM의 토크 리플과 철손 을 저감 하기 위해 회전자 d,q축의 인덕턴스 차이 를 줄이고자 회전자의 q축 경로의 형상을 변화시 켜 최적화 설계를 진행하였으며, 유한요소해석법 을 통하여 타탕성을 검증하였다.

2. 본 론

2.1 토크리플

토크 리플은 토크 맥동의 크기를 의미하며 리 플의 양은 최대 토크와 최소 토크의 차이를 평균 토크로 나눠준 크기로 정의할 수 있다[3]. 전동기 에서 발생하는 토크 리플은 회전자 자석과 고정자 슬롯 구조에 의한 상호작용, 회전자 위치에 따른 인덕턴스 변화에 의해 발생하는 릴럭턴스 차이, 전기자 전류와 회전자 영구자석 사이에서 발생하 는 토크에 의해 발생한다. 토크 리플은 진동을 발 생시키고 그로 인한 기기의 수명 및 베어링에 영 향을 주기 때문에 저감 설계를 필요로 한다[4].

2.2 철손

철손은 재질의 차이에 따라 달라지는 자기이력 특성으로 인해 와전류(eddy current)에 의한 손실 과 히스테리시스 손실로 이루어진다. 와전류 손실이란, 교류전압이 될 때 자기장 역시 시간에 따라 변화하는 시변자장이 발생한다. 이때, 패러데이 법 칙(Faraday’s Law)에 의해서 시변자장에 전계가 발생한다. 자성재료 또는 금속에는 전기 전도성이 존재하므로, 저항이 있고 이 저항에 의해 i2R의 손 실이 발생하며 이 손실이 와전류 손실이다. 와전류 손실이 주는 영향에는 두 가지가 있다. 첫째 전류 와 자속이 코어 표면 쪽으로 밀리는 자기 표피 효 과로 인해 코어 내부의 자속이 감소하여 자속 도 체로서 역할이 감소 된다. 두 번째는 코어는 저항 이 있으므로 와전류 손실이 발생하여 열로 에너지 가 방출된다[5]. 히스테리시스 손실은 강자성체를 자화할 때 B-H 곡선에서, 자계의 세기와 철심의 세기가 한 선으로 이루어지는 이상적인 상황이 아 닌 히스테리시스 루프가 형성되는 경우 그 루프의 면적을 의미한다. 강자성체에 자화가 진행되고 있 을 때 갑자기 자속을 중단시킬 때 잔류자기가 남 아있게 되고, 잔류자기를 없애기 위해서 역으로 자 속을 가할 경우 남아있는 보자력에 의해 강자성체 의 히스테리시스 루프가 형성된다[6]. 이때 히스테 리시스 루프의 면적은 손실로서, 기기의 온도 상승 및 효율이 저하된다. 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 합쳐서 철손(Core Loss)이라고 한다. 일반 적으로 단일 주파수에서 교번 하는 자기장의 경우 의 철손을 다음 식(1)과 같이 표현된다.

\(P _ { c } = P _ { h } + P _ { e } = K _ { b } f ( \hat { B } ) ^ { n } + K _ { e } ( \hat { B } ) ^ { 2 } f ^ { 2 n }\)

위 식에서 는 교번 자기장의 주파수이며, 는 최대 자속 밀도, , 는 히스테리시스 계수와 와전류 계수이다[7].

2.3 기존 모델의 제원 및 성능해석

기존에 연구하고 있던 소형전기차 파워트레인용 모터는 IPMSM Type으로 해석 모델의 단면은 아 래 Fig. 1과 같으며 모델의 제원을 Table 1에 나 타내었고, 기존 모델의 철손 분석 Table 2에 기존 모델 토크 리플 분석을 Table 3에 나타내었다.

Fig. 1 Geometry of original model

Table 1. Specifications of original model

Table 2. Core Loss analysis result of original model

Table 3. Torque Ripple analysis result of original model

2.4 토크리플 저감을 위한 회전자 형상 설계

영구자석의 투자율 값은 진공상태의 투자율 값 과 유사하므로 영구자석은 공극으로 볼 수 있으 며, 영구자석이 철심에 매입된 IPMSM은 회전자의 d축 경로가 q축 경로보다 공극이 길어지게 되고 그로 인해 d축에 비해 q축의 인덕턴스가 커지게 되어 토크 리플을 발생시킨다[8]. 토크 리플 저감 을 위한 설계 변수를 Fig. 2에 나타내었다. 본 논 문에서는 회전자 립(Rip) 부분의 기계적인 강도와 포화를 고려하여 최소 0.7mm를 확보하면서 q축 의 주자로를 형성하는 부분의 설계 변수인 태퍼링 길이를 조절하여 그에 따른 구동 특성을 분석하여 토크 리플 저감을 위한 최적의 길이를 도출하였으 며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 1.4mm에서 4Nm로 가장 낮은 토크 리플을 확인하였고 이후 1.3mm 이하부터는 다시 토크 리플이 증가하여 해석모델의 태퍼링 길이를 1.4mm로 선정하였다.

Fig. 2 Design variables

Fig. 3 Variation of torque ripple with tapering length

Fig. 4 Rotor shapes of original model and improved model

IPMSM은 회전자 위치에 따른 인덕턴스의 차이 가 있다. 이러한 인덕턴스의 차이를 이용하여 추 가적인 릴럭턴스 토크를 얻을 수 있지만, 그로 인 한 토크 리플의 증가로 소음과 진동 또한 증가하 게 된다. Table 3과 같이 기존 모델의 릴럭턴스 토크 리플은 10.3Nm, 코깅 토크 리플은 1.2Nm 로 토크 리플 중 릴럭턴스 토크 리플의 영향이 가 장 큰 것을 확인하였고, 릴럭턴스 토크 리플을 저 감 하고자 본 논문에서는 회전자 위치에 따른 인 덕턴스의 차이를 줄여 릴럭턴스 토크 리플을 줄이 고 히스테리시스 손실과 와전류 손실에 의한 철손 은 회전자의 형상에 따라 달라질 수 있어 철손을 감소하고자 Fig. 4와 같은 회전자 형상을 제안하 고 기존 모델과 개선 모델의 릴럭턴스 토크 리플 과 철손의 차이를 확인하고자 유한요소해석을 통 해 연구를 진행하였다.

2.5 기존 모델과 개선 모델의 결과 비교

Fig. 5은 기존 모델과 개선 모델의 정격토크 파 형을 나타내었다. 기존 모델의 정격토크는 50Nm, 개선 모델의 정격토크는 49.5Nm로 기존 모델 대 비 1% 정도 감소하였지만, 토크 리플이 11.4Nm에서 4Nm로 약 65% 정도 감소한 것을 확인하였다.

해석 모델에 대해서 유한요소해석법을 이용하여 전류 위상각 변화에 따른 단위전류당 최대토크 운 전이 가능한 위상을 확인하였으며, 전류위상각이 19° 일 때 단위전류당 최대토크 운전 위상각인 것을 확인하였다.

정확한 결과 비교를 위해 Table 4에 동일 정격 토크인 50Nm 에서의 릴럭턴스 토크 리플, 토크 리플, 철손, 동손의 비교를 나타내었다. 릴럭턴스 토크 리플은 10.3Nm에서 8.4Nm로 기존 모델 대 비 약 19% 정도 저감 되었으며 토크 리플은 기존 11.4Nm에서 4.3Nm로 약 62% 정도 저감 되었 고, 철손은 기존 대비 약 29%, 동손은 약 11% 정도 저감 된 것을 확인하였다.

Fig. 5 Rated torque waveform comparison

Table 4. Comparison of result values at the same rated torque

3. 결 론

본 논문에서는 소형전기자동차용 IPMSM의 회 전자 형상 변화에 따른 토크 리플, 철손 분석을 진행하였다. 이 연구에 대한 타당성을 검증하기 위해 기존 모델과 개선 모델의 유한요소 해석을 통해 토크 리플 값과 철손 값을 도출해냈다. Fig. 5 에 나타낸 해석 결과에서 기존 모델 대비 개선 모 델의 정격 토크가 약 1% 정도 감소하였지만, 토 크 리플이 약 65% 정도 저감 되었고, 동일 정격 토크에서 비교 시 릴럭턴스 토크는 약 19% 정도 저감 되었고 토크 리플은 약 62%, 철손은 약 29%, 동손은 약 11% 정도 저감 된 것을 확인하 였으며, 소형전기자동차용 IPMSM에 적용 시 소 음, 진동 특성 개선 및 효율이 개선될 것으로 사 료 된다.

사 사

본 과제(결과물)는 2023년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협 력기반 지역혁신 사업의 결과입니다. (2021RIS-003)