전기차 구동용 IPMSM의 고출력 밀도 확보를 위한 광역 약계자 제어 영역 확장 설계

국문 초록 (Abstract)

전세계적인 환경 규제 강화로 전기자동차(EV)와 같은 친환경 차량의 수요가 급격하게 증가하고 있다. EV는 주행거리 확보를 위해 배터리 용량을 확대하고 있으나, 이로 인해 주행 효율이 저하되는 문제가 발생되고 있다. 따라서 EV의 에너지 효율 개선을 위해 각 부품의 소형·경량화가 필수적으로 요구되고 있다. EV 구동 시스템의 핵심 부품인 전동기 중에서도, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)는 고출력 밀도 및 고효율의 특성으로 인해 널리 사용되고 있다. IPMSM의 소형·경량화를 실현하기 위한 방법으로는 전동기의 고속화 방법이 있다. IPMSM에서는 고속 운전을 구현하기 위해 약계자(FW) 제어가 필수적인데, FW 제어는 음의 d축 전류를 통해 영구자석과 반대 방향의 d축 자속을 발생시킴으로써 공극의 유효 자속을 약화시키는 방법이다. 영구자석과 d축 자속을 완전히 상쇄시키면 무한대 운전이 가능하나, 실제 운전에서는 d축 자속에 고조파가 다량 포함되어 영구자석의 자속을 완전히 상쇄시키지 못하므로, FW 영역이 제한되는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 전기자 반작용인 d-q축의 자속밀도 분포도를 분석함으로 자속 고조파 성분의 원인을 명확히 규명하고, 이에 따라 FW 영역이 제한되는 근본적인 원인을 상세히 분석하였다. 또한 자속밀도 분포도를 통해 회전자에 설계 지점 선정 및 매입형 노치(interior notch) 구조를 적용하여 실험계획법(DOE)를 활용해 고조파 저감을 위한 최적 설계를 수행하였다. 더 나아가 d축 자속 고조파 저감이 최대 운전 범위와 운전 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였으며, 이를 통해 EV 구동용 IPMSM의 고속화 설계를 위한 자속밀도 분포도 기반 새로운 설계 지침을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 ii
• 표 목 차 iv
• 그림목차 v
• 명칭 및 약어 vii
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 논문 구성 4
• 제 2장 매입형 영구자석 동기 전동기 운전 영역 및 한계 6
• 2.1. 매입형 영구자석 동기 전동기 기초 이론 6
• 2.2. 매입형 영구자석 동기 전동기 운전 방법 11
• 2.3. 매입형 영구자석 동기 전동기 운전 한계 14
• 제 3장 매입형 영구자석 동기 전동기 자속 고조파 분석 17
• 3.1. 계자 자속 고조파 분석 18
• 3.2. 전기자 자속 고조파 분석 20
• 제 4장 자속 고조파 저감 설계 30
• 4.1. Design point 설정 31
• 4.2. 실험계획법(DOE) 활용한 최적 설계 33
• 제 5장 자속 고조파 저감 설계 결과 50
• 5.1. 최대 운전영역 50
• 5.2. 운전특성 분석 54
• 제 6장 결론 59
• 참고문헌 60
• Abstract 69