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

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 3
• 제2장 ISG개요. 6
• 2-1. 42Volt ISG 6
• 2-2. ISG 운전 모드. 7
• 2-3. ISG 요구조건. 8
• 제3장 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 구조 및 특성 9
• 3-1. 매입형 영구자석 전동기의 구조 . 9
• 3-2. 주요 특성 방정식. 11
• 3-3. 매입형 영구 자석 전동기의 운전 특성 15
• 3-3-1. 정토크 운전영역 . 16
• 3-3-2. 정출력 운전영역 17
• 제4장 ISG적용 매입형 영구자석 동기 전동기 설계 18
• 4-1.설계 제한 사항 및 재질 선정 . 18
• 4-2. 고정자 권선 방식과 슬롯수 결정 23
• 4-3. 회전자 형상 설계 24
• 제5장 역기전압 저감 설계 26
• 5-1. 특성 해석 및 분석 . 26
• 5-2. 응력 해석 및 분석 32
• 제 6장 결 론 . 36
• 참고문헌 37
• Abstract 39