단일 코어 기반 전기차 구동용 IPMSM의 출력 시리즈화 연구 = A Study on the Output Serialization of Single-Core IPMSM for Electric Vehicle Drives

국문 초록 (Abstract)

단일 코어 기반 전기차 구동용 IPMSM의 출력 시리즈화 연구 논문제출자 김 태 수 지 도 교 수 김 기 찬 본 논문에서는 강판의 기본 형상을 유지한 상태에서 소수의 설계 변수만 을 조정하여 다양한 출력 특성을 구현하는 설계 기법을 제시하였다. 핵심 변 수로는 적층 길이, 병렬회로 수, 배터리 전압, 냉각방식을 선정하였으며 이 네 가지 요소가 전자기적 성능과 열적 제약, 그리고 인버터 구동 조건에 미 치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 먼저 적층 길이는 전동기의 유효 철심 체적과 냉각 가능 면적을 동시에 변화시키는 중요한 설계 변수로, 전자기적·열적 성능 모두에 직접적인 영향 을 미친다. 적층 길이가 증가하면 자속이 통과하는 유효 철심 단면적이 확대 되어 자속 결합 능력이 향상되고, 이에 따라 토크가 비례적으로 증가한다. 이는 코어의 자속 경로가 길어짐에 따라 권선에 유도되는 전자기력이 커지 고, 더 높은 토크를 실현할 수 있다. 특성을 정량적으로 분석하여, 동일한 형상을 유지한 상태에서 적층 길이만을 조정함으로써 출력 변화가 가능함을 보였다. 이를 통해, 특정 출력 목표에 대해 적층 길이 증가에 따른 토크 변 화를 확인하였다. 병렬회로 수는 권선 전류의 분배 방식과 전기적 자극 경로를 결정하는 주 요 인자로서, 상전류, 상전압, 그리고 역기전력에 직접적인 영향을 미친다. 병렬회로 수를 증가시키면 각 회로를 통해 흐르는 전류가 병렬 분배되어 단 위 도체 당 전류밀도가 낮아지고, 그 결과 동손이 감소하여 열적 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 병렬회로 증가는 권선의 유효 저항을 감소시킨다. 또 한 동일한 금형, 적층 길이 및 상당 직렬 턴 수를 유지한 상태에서 배터리 전압을 변경함으로써 전동기의 기저 속도 및 최대 속도가 변하여 사용할 수 있는 운전 영역을 확장 및 축소하는 방법을 제시하였다. 배터리 전압은 출력을 결정하는 주요 요소로서, 배터리 전압 제한에 의해 결정되는 운전 가능 속도 영역이 변화하며, 기저 속도 및 최대 속도 또한 배 터리 전압 조건에 따라 달라진다. 배터리 전압이 높을수록 전압 여유가 증가 하여 동일한 역기전력 조건에서 더 높은 속도까지 운전할 수 있다. 반대로 배터리 전압이 낮은 조건에서 전압 포화가 더 이른 속도에서 발생하여, 고속 운전 영역이 제한된다. 냉각방식을 변경함으로써 전동기의 운전 가능 영역을 확장하는 방안을 검 토하였다. 냉각 성능은 전동기의 연속 정격토크, 효율, 그리고 고속 영역에서 의 열적 한계를 결정하는 핵심 요소로, 동일한 전자기 구조를 유지하더라도 냉각매체의 종류(공랭식, 수랭식, 유랭식)에 따라 열저항 경로와 열용량이 크 게 달라진다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅱ
• 그 림 목 차 ⅲ
• 기 초 약 어 Ⅴ
• 국 문 요 약 ⅶ
• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. IPMSM의 설계 이론 3
• 2.1 전기자동차의 운전 특성 3
• 2.2 영구자석의 특성 곡선 7
• 2.3 시리즈화 설계 이론 9
• Ⅲ. IPMSM의 출력 시리즈화 분석 10
• 3.1 기본 모델 선정 10
• 3.2 적층 길이 변경에 따른 출력 변화 16
• 3.3 병렬회로 수 변경에 따른 출력 변화 25
• 3.4 배터리 전압 사양의 다양화에 따른 출력 변화 33
• 3.5 전동기 냉각방식의 다양화에 따른 출력 변화 40
• Ⅳ. 결론 46
• Ⅴ. 참고문헌 47
• ABSTRACT 50