토크 리플 및 진동 특성 개선을 위한 전기자동차 구동용 IPMSM의스큐 방법 개발 = A Novel Skewing Method for IPMSM in EV Traction Motors to Improve Torque Ripple and Vibration Characteristics

국문 초록 (Abstract)

전기자동차(Electric Vehicle, EV) 구동 모터에서 발생하는 과도한 토크 리플은 소음과 진동의 주요 원인이 되며, 이는 승차감 저하와 승객 피로 증가를 초래한다. 본 논문에서는 전기자동차 구동용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM) 로터 어셈블리에 기계적 2단 스큐(Mechanical 2-step skew, M2S)와 자기적 2단 스큐(Magnetic 2-step skew, Mg2S)를 결합한 혼합 4단 스큐(Mixed 4-step skew, Mx4S) 구조를 적용함으로써 토크 리플 및 진동 특성을 효과적으로 저감하는 설계 방안을 제안한다. 로터 어셈블리에 Mx4S 구조를 적용하면, M2S의 토크 리플 저감 능력을 극대화함과 동시에 Mg2S가 제공하는 평균 토크 보존 특성을 유지할 수 있다.
제안된 방법의 타당성을 검증하기 위해 2차원 및 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 동일 부하 조건에서 M2S, Mg2S, Mx4S Model의 평균 토크와 토크 리플 특성을 비교하였다. 또한, 주파수 도메인 구조 해석을 통해 분석하여 모터의 전체적인 진동 거동을 종합적으로 비교하였다. 마지막으로, Mx4S 구조가 적용된 IPMSM 로터 어셈블리 시제품을 제작하여 실험을 수행함으로써 전자기적 성능을 실증적으로 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Excessive torque ripple in electric vehicle (EV) traction motors is a primary cause of noise and vibration, leading to a degradation in ride quality and increased passenger fatigue. This paper proposes design approach to effectively reduce torque ripple and vibration characteristics by applying mixed 4-step skew (Mx4S) structure to the rotor assembly of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) for EV applications. The Mx4S structure combines a mechanical 2-step skew (M2S) with a magnetic 2-step skew (Mg2S). By implementing the Mx4S structure in the rotor assembly, it is possible to maximize the torque ripple reduction capabilities of the M2S while maintaining the average torque preservation characteristics provided by the Mg2S.
To verify the validity of the proposed method, 2-D and 3-D finite element analysis (FEA) were performed, comparing the average torque and torque ripple characteristics of the M2S, Mg2S, and Mx4S models under identical load conditions. Furthermore, the overall vibration behavior of the motors was comprehensively analyzed and compared through frequency-domain structural analysis. Finally, a prototype of the IPMSM rotor assembly incorporating the Mx4S structure was fabricated, and experiments were conducted to empirically validate its electromagnetic performance.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 목표 2
• 3. 논문 구성 3
• Ⅱ. IPMSM의 토크 리플 저감 연구 배경 및 토크 특성 분석 4
• 1. 기존 토크 리플 저감 기법 연구 동향 4
• 2. 스큐 미적용 IPMSM의 토크 특성 분석 6
• Ⅲ. 스큐 적용 방식에 따른 토크 특성 분석 9
• 1. 기계적 2단 스큐(M2S) 적용 방식 및 토크 특성 10
• 2. 자기적 2단 스큐(Mg2S) 적용 방식 및 토크 특성 12
• 3. 혼합 4단 스큐(Mx4S) 적용 방식 및 토크 특성 14
• Ⅳ. 주파수 도메인 구조 해석을 통한 진동 특성 비교 22
• Ⅴ. 실험적 검증 25
• Ⅵ. 결론 및 향후 계획 29
• 1. 결론 29
• 2. 향후 계획 30
• 참고문헌 31
• 영문초록 35