코깅토크 저감을 위한 ISG용 매입형 영구자석 동기전동기의 최적화 노치설계에 관한 연구 = A Study on the Optimized Notch Design of IPMSM for ISG for Reducing Cogging Torque

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 내용 및 구성 4
• 제2장. 설계이론 5
• 2.1 ISG용 전동기 기초이론 5
• 2.1.1 ISG의 구조 및 특징 6
• 2.1.2 영구자석 동기전동기의 구동 원리 8
• 2.2 코깅토크 13
• 2.3 노치 이론 17
• 제3장. 설계 및 유한요소해석 20
• 3.1 매입형 영구자석 동기전동기 노치 설계 20
• 3.1.1 설계 사양 및 설계 목표 22
• 3.1.2 노치 설계변수 25
• 3.2 무부하 해석결과 28
• 3.2.1 고정자 노치 29
• 3.2.2 회전자 노치 31
• 3.2.3 고정자 Anti 노치 34
• 3.3. 부하 해석결과 36
• 제4장. 결론 40
• 참고문헌 41
• ABSTRACT 43