항공기용 고속 IPMSM 의 Fe-Co 적용을 위한 MS 기반 설계 프로세스 정립

송수진 단국대학교 대학원 2026 국내석사

본 논문에서는 항공기용 고속 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 고출력밀도와 고속 운전 성능을 동시에 확보하기 위해 Fe-Co계 연자성 재료를 적용하고 최대속도 조건을 우선 고려하는 MS(Maximum speed) 기반 설계 프로세스를 제안하였다. 항공 추진용 전동기는 제한된 중량 및 체적 조건에서 높은 출력을 요구하므로 철심 단면과 적층 길이를 줄이는 고출력밀도 설계와, 순항 구간 특성으로 인한 고속에서의 효율 향상이 필요하다. 그러나 기존 Fe-Si 계 전기강판을 적용한 상태에서 철심 체적을 축소하게 되면 고정자 치와 백요크의 자속밀도가 포화 영역에 근접할 수 있다. 또한 기존의 기저속도 조건을 우선 고려하는 BS(Base speed) 기반 설계 프로세스를 적용할 경우, 최대속도 영역에서 전기 주파수 증가에 따른 철손이 매우 커지게 된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 높은 포화자속밀도를 갖는 Fe-Co계 연자성 재료인 Hiperco50를 적용하여 철심 단면 축소에 따른 포화 문제를 완화하고자 하였다. 또한 고속 영역의 손실과 전압 여유를 설계 초기 단계에서 충분히 반영하기 위해 최대속도 조건에서 요구 토크, 전압 제한, 손실 및 구조 안전성을 우선 반영한 후 기저속도 조건에서의 성능을 검증하는 MS 기반 설계 프로세스를 제안하였다. 연구는 세 가지 모델을 비교하는 방식으로 수행하였다. Model 1은 Fe-Si계 재질인 35PN230 을 적용한 BS 기반 설계 프로세스 적용 모델로 설정 하였고, Model 2는 고정자 코어에 Hiperco50을 적용한 BS 기반 설계 프로세스를 적용 모델로 설정하여 재질 변경 효과를 검토하였다. Model 3는 고정자 코어에 Hiperco50 을 적용한 MS 기반 설계 프로세스를 적용 모델로 설정하여 재질 변경 효과와 설계 프로세스 변경 효과를 동시에 검토하였다. Model 3 의 경우 기초설계의 분할비, 자석각도 및 립 두께를 주요 설계변수로 설정하고 후보맵을 통해 전류 제한, 전압 제한, 손실 및 구조 안전율 조건을 동시에 만족하는 설계점을 선정하였다. 각 모델의 전자기 성능은 유한요소해석을 통해 토크, 전압, 손실 및 효율을 종합적으로 평가하였으며 회전자 구조 안전성은 최대 속도의 1.2배 조건에서 von Mises 응력과 안전율을 기준으로 검토하였다. 이에 따라 본 논문에서는 Fe-Co 계 재질 적용이 철심 단면 축소와 출력밀 도 향상에 유효함을 확인하였고, MS 기반 설계 프로세스가 최대속도 영역의 제약조건을 설계 초기 단계에 반영할 수 있는 프로세스임을 확인하였다.

ISG용 고토크 및 넓은 속도 영역 운전을 위한 IPMSM의 역기전압 저감 설계 특성 고찰

장수봉 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

본 논문에서는 동력 성능 만족 및 연비 효율 향상에 주안점을 둔 42Volt 시스템을 사용하는 차량용ISG(Integrated Stater & Generator)을 매입형 영구자석 전동기로 설계함에 있어, 역기전력 특성 분석 및 저감 설계 방법에 대해 제안한다. 최근 자동차의 전기 시스템의 용량은 자동차의 안전성과 사용자의 편의성 요구가 증대되면서 전기적인 부하가 꾸준히 증가 하고 있다. 이러한 이유로 수 십 년전의 6Volt 전압은 12Volt로 증대 되었으며, 계속 용량이 증대 되어 현재 42Volt의 높은 전압이 사용되는 추세이다. 시스템의 전압과 용량을 증대하기 위해서는 발전기의 용량이 증대 되어야 한다. ISG는 원활한 기동을 위한 엔진 크랭킹이 저속에서 높은 기동토크가 필요 하며, 배터리 충전을 위한 발전을 위해 넓은 속도 영역운전 가능해야 하며, 반면에 시스템 보호를 위해 최고 속도의 역기전압 저감이 되어야 한다. 이를 위한 매입형 영구 자석 전동기는 영구 자석이 회전자 내부에 위치 하는 구조로 인해 고속 구동이 유리 할 뿐 아니라 d-q축 자로의 불균형 때문에 발생하는 릴럭턴스 토크가 마그넷 토크의 저감을 통해 전동기의 역기전압은 저감 시키면서 고출력에 기여 할 수 있다. 본 논문에서는 회전자의 비자성체층 증가를 통해 회전자의 국부 포화 증가로 역기전압 저감을 실현 하였고, 반면에 자기저항의 증대를 통해 줄어든 마그넷 토크를 릴럭턴스 토크로 보상 하여, 총 토크는 유지 하면서 최고 속도에서의 역기전압 저감 설계를 구현 하였다. 또한 비자성체층의 증가에 따른 회전자 원심력에 의한 응력을 분석하여, ISG용 IPMSM에 적합한 회전자 형상을 제시 하였다. In this paper, characteristic analysis of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) for Integrated Starter and Generator(ISG) mounted on the vehicle considering improvement on efficiency while satisfying power performance is conducted. Moreover, design method for back-EMF reduction is proposed based on the analysis results. Recently, capacity of electrical system is constantly increased on account of demands on safety of vehicle and convenience of passenger. For this reason, voltage of system has been increased from 6 volts to 12 volts in few decades and it is tends to be used high voltage of 42-volt in recently. To increase voltage and capacity of system, increase on the capacity of generator should be preceded. Also, ISG, which is the integrated part of conventional starter motor and alternator, is regarded as requisite to have high torque in low speed region for proper start and to have wide operation region for charging battery. However, to protect the system, back-EMF at maximum speed should be reduced. IPMSM has advantage on high speed operation owing to its structure that permanent magnets are located in the rotor. Moreover, reluctance torque caused by unbalance flux path in d- and q-axis contributes to maintain output power while reducing magnet torque for back-EMF reduction. In this paper, by inserting non-magnetic layer in the d-axis flux path, local magnetic saturation is increased in the rotor and back-EMF is reduced eventually. However, reluctance torque is increased to compensate reduced magnet torque owing to increase of reluctance difference between d- and q-axis. Therefore, designed IPMSM has reduced back-EMF at maximum speed while the overall torque is maintained. Analysis on possible stress caused by inserting non-magnetic layer is also performed as well and proper rotor configuration is proposed for IPMSM for ISG in the end.

Rotating Tapering을 적용한 Column-Type EPS용 매입형 영구자석 동기전동기 코깅토크 저감에 관한 연구

이승원 가천대학교 일반대학원 2022 국내석사

영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)는 기존 산업에서 널리 사용되는 유도전동기에 비하여 고효율 운전이 가능하며, 다양한 구조의 설계가 가능하여 여러 분야에 사용되고 있다. 최근에는 고에너지 밀도를 가진 영구자석 재질이 개발됨에 따라 고출력 PMSM의 개발도 이뤄지고 있다. PMSM은 영구자석의 부착위치에 따라 크게 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)과 SPMSM(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)으로 구분할 수 있다. 두 모터의 가장 큰 차이점은 역돌극성을 이용한 릴럭턴스 토크의 활용 유무이다. IPMSM의 경우, 영구자석이 회전자 내부에 매입되어 있는 구조로 마그네틱 토크뿐만 아니라 d, q축 인덕턴스 차이를 이용한 릴럭턴스 토크를 활용함으로써 영구자석이 표면 전체에 부착되어 릴럭턴스 토크를 사용할 수 없는 SPMSM에 비하여 고출력 설계가 가능하다. 하지만 IPMSM의 구조로 인하여 회전자의 영구자석과 고정자 사이의 상호작용으로 인한 코깅토크가 SPMSM에 비하여 현저히 클 수밖에 없다. 코깅토크는 모터의 소음·진동의 주원인이 되므로 이를 저감하는 설계가 필수이다. 코깅토크를 줄이기 위한 대표적인 방법으로는 고정자나 회전자에 Skew를 적용하거나 공극에 맞닿는 Core의 형상을 깎아 회전 위치에 대한 릴럭턴스의 변화를 줄이는 Tapering 적용 방법이 있다. 두 방법 모두 전동기의 코깅토크를 감소시키는 방법이지만, Skew의 경우 영구자석의 분할로 인한 착자의 문제와 Tapering의 경우 코깅토크를 일정 수준 이상 저감하기 위해서는 Core의 삭제율이 커져 영구자석의 형상 및 배치에 제약이 걸리게 된다. 이에 본 논문에서는 Skew와 달리 영구자석을 분할하지 않으며, Tapering 대비 코깅토크 저감 효과가 높은 설계기법인 Rotating Tapering을 적용한 회전자 형상을 제시한다. 본 논문에서 제안하는 Rotating Tapering을 EPS용 모터에 적용하여 전자기 유한요소해석을 통해 설계하였으며, 제작 및 실험을 통해 타당성을 검증하였다.

코깅토크 저감을 위한 ISG용 매입형 영구자석 동기전동기의 최적화 노치설계에 관한 연구

박종빈 청주대학교 대학원 2025 국내석사

최근 전 세계적으로 환경 보호를 위해 차량 연비 규제의 도입과 온실가스 규제 신설 등 이산화탄소 배출을 감축하고 있는 추세이다. 이러한 사회적 흐름에 의해 모든 자동차 업체는 친환경적인 차량 기술을 개발하고 있으며 그 중에는 현재 여러 하이브리드 차량에 적용되는 ISG(Integrated Starter & Generator)가 있다. ISG는 모터의 기능과 동시에 정차시 엔진을 정지시키는 Idle Stop, 회생제동 등의 역할을 하며 이에 따라 ISG에 적용되는 전동기는 높은 출력 밀도와 고속운전이 용이한 매입형 영구자석 동기전 동기(IPMSM)을 주로 사용하게 되는데 IPMSM은 돌극형 구조를 가져 영구자 석과 철심 사이의 상호작용으로 인한 코깅토크가 발생하게 되고 이는 전동기의 진동 및 소음을 유발하며 초기 기동에 필요한 토크가 커지게 되어 성능과 효율 저하를 야기시키기 때문에 코깅토크의 저감은 전동기 설계에서 중요한 요소로 작용하게 된다. 본 논문에서는 차량용 ISG(Integrated Starter & Generator)를 매입형 영구 자석 전동기의 코깅 토크 저감을 위한 최적화 노치 설계에 관한 방법에 대해 제안하며 코깅토크를 저감하면서 요구되는 토크와 역기전력 제한치를 만족하는 최적화 노치 설계법을 적용해 해석을 통해 비교 분석하여 최적의 성능을 가지는 모델을 도출하였다. With the growing global emphasis on reducing carbon dioxide emissions to protect the environment, various measures, such as vehicle fuel efficiency regulations and new greenhouse gas standards, are being implemented. In line with this trend, automobile manufacturers worldwide are actively developing eco-friendly vehicle technologies. Among these, the Integrated Starter & Generator (ISG) system has been widely adopted in many hybrid vehicles. The ISG system functions both as a motor and a generator, enabling features such as idle stop and regenerative braking, which enhance vehicle efficiency by shutting down the engine during stops. To achieve the high power density and high-speed operation required for ISG systems, Interior Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSMs) are commonly used. However, due to their salient pole structure, IPMSMs are prone to cogging torque caused by the interaction between the rotor's permanent magnets and the stator's iron core. This cogging torque results in vibration, noise, and increased torque demand during initial startup, ultimately reducing motor performance and efficiency. Therefore, minimizing cogging torque is a critical aspect of electric motor design. This paper presents a method for designing optimized notches to reduce the cogging torque of permanent magnet electric motors used in ISG systems for vehicles. The proposed method ensures that the motor satisfies torque and back-electromotive force (EMF) requirements while effectively reducing cogging torque. By applying and analyzing various designs, a model with optimal performance characteristics is derived through comparative analysis.

단일 직류단 전류 센서 인버터를 적용한 매입형 영구자석 동기전동기 구동 시스템에서 고주파 전압 주입 센서리스 성능 향상을 위한 캐리어 기반 PWM 전압 벡터 수정 방법

김민지 국민대학교 일반대학원 2025 국내석사

매입형 영구자석 동기전동기 구동 시스템에서 센서 수를 줄이기 위해, 단일 직류단 전류 센서를 이용한 전류 복원과 위치 센서를 사용하지 않는 센서리스 벡터 제어를 결합할 수 있다. 그러나 영·저속 운전 영역에서 고주파 전압 주입 센서리스 제어를 단일 직류단 전류 센서 인버터 시스템에 적용할 경우, 단일 직류단 전류 센서 인버터의 전류 복원 특성으로 인해 전류 복원 오차와 전압 왜곡이 발생하고, 이로 인해 센서리스 위치 추정 성능이 저하된다. 본 논문에서는 이러한 전류 복원 오차와 전압 왜곡을 분석하고, 맥동 전압 주입 센서리스와 회전 전압 주입 센서리스에 대해 캐리어 기반 PWM 전압 벡터 수정 방법을 제안한다. 제안 방법은 하나의 제어 주기 내에서 여러 스위칭 주기와 여러 번의 직류단 전류 샘플링을 요구하는 기존 방법들과 달리, 하나의 제어 주기 당 하나의 스위칭 주기를 사용하는 기존 캐리어 기반 PWM 구조를 유지한다. 제안 방법에서는 측정 구간과 보상 구간의 전압 벡터를 분리하여 배치함으로써, 전류 복원 조건을 만족하면서도 주입된 고주파 전압에 의한 전류 변화량이 복원 전류에 정확하게 반영되도록 한다. 이를 통해 모터 파라미터 기반의 예측 보상 없이 전류 복원 오차와 전압 왜곡을 줄여, 고주파 전압 주입 센서리스의 위치 추정 성능을 향상시킨다. 제안 방법의 성능은 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. To reduce the number of sensors in interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) drive systems, position-sensorless vector control can be combined with a single-shunt current reconstruction method that uses a single direct current DC-link shunt resistor. However, when sensorless control based on high-frequency (HF) voltage injection is applied to a single DC-link current sensor drive system (SDS) for zero- and low-speed operation, current reconstruction errors and voltage distortion occur because of the inherent current reconstruction characteristics of the SDS, thereby degrading rotor position estimation performance. This paper analyzes these errors and proposes current reconstruction methods based on carrier-based PWM voltage vector modification for both pulsating voltage injection and rotating voltage injection. Unlike previous studies that require multiple pulse-width modulation (PWM) switching periods and multiple analog-to-digital converter samplings within a single control period, the proposed methods maintain a conventional carrier-based PWM structure in which one control period corresponds to one PWM switching period. The voltage vectors in the measurement and compensation regions are separated and strategically positioned to accurately reflect the current variation produced by the injected HF voltage while satisfying the current reconstruction conditions. Consequently, current reconstruction errors and voltage distortion are reduced without relying on prediction based on motor parameters. The effectiveness of the proposed methods is verified through simulation and experimental results.

실험계획법을 이용한 IPMSM 방열 성능 분석 및 최적설계

박종진 건국대학교 대학원 2022 국내석사

전동기를 장시간 운전 시, 각 구성품에서 전기적 손실이 발생한다. 이의 대부분은 열에너지로 전환되어 각 구성품을 가열하는 열원이 된다. 전동기는 절연등급 허용온도를 초과할 시 구성품의 자기 소거로 이어지고 전기적, 기계적 성능이 저하된다. 따라서 냉각장치를 이용한 전동기의 방열이 필요하다. 본 연구에서는 전기자동차에 적용하는 모터인 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 절연등급 허용온도를 초과하지 않으며, 수냉식 방법을 적용한 전동기의 냉각수로 펌프 동력을 최소화하기 위한 냉각수로 실험계획법을 수행하였다. 먼저, 전자기 해석을 통해 발생하는 전기적 손실을 계산하여, 손실이 일어나는 구성품을 확인하였다. 다음으로는 전자기-열 유동 연성해석을 수행하고, 냉각수로의 설계인자를 선정하여 실험계획법(Design of Experiments, DOE)을 통해 응답에 미치는 최대 온도와 압력강하의 영향을 통계적으로 분석하였다. 마지막으로 냉각수로의 압력 강하를 최소화하여 최적 설계를 하였다. Most of this is converted into thermal energy in motor, which becomes a heat source for heating each component. In this study, the design of experiment was performed to minimize the power of the pump with the water jacket of the motor using the water cooling method within the range that does not exceed the allowable temperature of the IPMSM insulation class applied to electric vehicles. First, by calculating the electrical loss that occurs through electromagnetic analysis, the component causing the loss was identified. Next, electromagnetic-thermal fluid coupled analysis was performed, design factors for water jacket were statistically analyzed through DOE. Finally, an optimal design was made by minimizing the pressure drop to the water jacket.

운전모드를 고려한 매입형 영구자석 동기전동기 직경비 설계 특성 연구

김종희 한밭大學校 2018 국내석사

전기​자동차(Electric Vehicle, EV)는 화석연료를 사용하는 엔진과는 달리 전기배터리와 전기 모터를 사용하는 자동차로 배기가스가 없어 친환경적이고, 운행비용이 가장 저렴하고, 차량 수명이 상대적으로 길며, 에너지 효율이 높아 세계 각국의 자동차 수요자들은 유가상승에 대한 부담으로 고성능, 고효율 자동차에 대한 관심이 증가하고 있다. 전기자동차용 전동기는 운전모드에 따라 효율 특성이 차이가 나기 때문에 저속 및 고속의 운전모드에서 고효율 특성을 평가하기 위한 연구는 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 전기자동차용으로 사용되는 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)를 대상으로 유한요소법(Finite Elements Method, FEM)을 이용하여 고정자와 회전자의 직경비를 각각 0.62, 0.65, 0.68로 변경 설계하였다. 이를 대상으로 전 운전구간의 효율특성 및 시내, 고속도로 운전모드에서의 평균효율을 도출하였고 그 결과를 비교분석 하였다.

매입형 영구자석 동기전동기의 Web Flux 영향에 관한 연구

박철우 부산대학교 대학원 2002 국내석사

매입형 영구 자석 동기 전동기의 약자속 제어

유안노 서울大學校 大學院 2006 국내석사

매입형 영구자석 동기전동기의 온도 변화에 따른 제어 특성에 관한 연구

김연수 서울대학교 대학원 2007 국내석사