한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 KSAE 2015 Annual Conference and Exhibition 기간 : 장소 : (수)~21(토) 후원 :

Size: px

Start display at page:

Download "한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 KSAE 2015 Annual Conference and Exhibition 기간 : 장소 : (수)~21(토) 후원 :"

진리 사
4 years ago
Views:

1 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 KSAE 2015 Annual Conference and Exhibition 기간 : 장소 : (수)~21(토) 후원 :

3 헤어핀권선을이용한 EV 구동용 WFSM 의출력밀도개선설계 차경수 * 박진철 채승희 홍정표한양대학교미래자동차공학과 Power Density Improvement Design of WFSM for EV Traction Motor Using Hair-pin Windings Kyoung-Soo Cha * Jin-Cheol Park Seung-Hee Chai Jung-Pyo Hong Department of Automotive Engineering, Hanyang University, 222, Wangsimni-ro, Seongdong-gu, Seoul , Korea Abstract : The rare earth material are dependent on imports from China for unstable supply and demand. Therefore the wound field synchronous motor (WFSM) which doesn t use rare earth material is being studied. The most commonly used wire shape is circular, with fill factor of 40%. If the fill factor can be increased, the slot area can be decreased. The hair-pin winding used wire shape is square and fill factor of 60%. So, if the slot area is designed for using hair-pin winding, it can be designed smaller than slot area of initial model. By reducing the slot area, it is possible to increase the stator inner diameter and the rotor outer diameter. Then it is possible to reduce the stack length while maintaining the same torque. In conclusion, it is possible to reduce the motor weight and volume. Moreover, by designing a square shaped slot, it is possible to increase the width of teeth. This also reduces the saturation level, which in turn reduces the total harmonic distortion (THD) of the back electromotive force (BEMF). Therefore, by using a hairpin winding in motor design, the same output can be maintained while the volume and weight is decreased. The power density is increased. In this paper, by using a hairpin winding, stack length is reduced by 10% compared to the initial model while maintaining the same output. The initial and improved model is compared by calculating the power density and efficiency of the motor by using a Two-Dimensional Finite Element Method (2-D FEM). Key words : Electric vehicle ( 전기자동차 ), Hair-pin windings ( 헤어핀권선 ), Motor efficiency ( 전동기효율 ), Power density ( 출력밀도 ), Two-dimensional finite element method (2-D 유한요소해석 ), Wound field synchronous motor ( 권선계자형동기전동기 ) Nomenclature Ψ : linkage flux, Wb.F : force, N i : current, A L : inductance, H P : pole pair number r : radius of airgap, m T : torque, Nm d : direct axis q : quadratic axis a : armature Subscripts * 차경수, chakungsoo@hanyang.ac.kr 1235

출력밀도가높은 IPMSM을대체할전동기로권선계자형동기전동기 (Wound Field Synchronous Motor, WFSM) 를국내외에서연구가활발히진행되고있다. WFSM은계자자속을전기자의형태로발생시키기때문에탈희토류가가능하며계자기자력의세기를조절하기쉬워넓은운전영역에서사용하기에적합하다.

4 1. 서론 2. 대상전동기 전기자동차 (Electric Vehicle, EV) 의견인용전동기는자동차연비및성능에전동기의질량이직접적인영향을주기때문에출력밀도가매우중요한사양이다. 희토류영구자석을사용한매입자석형동기전동기 (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM) 는출력밀도가높기때문에 EV 견인용전동기로적합하여많이사용되고있다. 이와같이희토류금속은수급불안정성이높기때문에희토류금속을사용하지않는탈희토류의움직임을보이고있다. 출력밀도가높은 IPMSM을대체할전동기로권선계자형동기전동기 (Wound Field Synchronous Motor, WFSM) 를국내외에서연구가활발히진행되고있다. WFSM은계자자속을전기자의형태로발생시키기때문에탈희토류가가능하며계자기자력의세기를조절하기쉬워넓은운전영역에서사용하기에적합하다. 1) 현재가장일반적으로사용되는전동기권선은원형동선을이용하며, 점적률은약 40[%] 수준이다. 그에비해헤어핀권선의점적률은약 60[%] 수준으로동일한권선수를유지할때고정자의슬롯면적을원형동선을사용할경우보다 50[%] 저감하여설계할수있다. 이를통해고정자치의포화도를개선하여역기전력의외형률 (Total Harmonic Distortion, THD) 이줄어들고회전자의외경을증가시켜동일출력조건에서적층길이를약 10[%] 저감할수있다. 본논문에서는기존의 WFSM에헤어핀권선을적용하여같은성능에서전동기의부피를줄이는출력밀도개선설계를진행했다. 2-D 유한요소해석 (Two-Dimensional Finite Element Method, 2-D FEM) 을통해두전동기의성능및효율을검증하고출력밀도를산정하여비교할것이다. WFSM의회전자권선에는브러쉬와슬립링이연결되어회전자에연속적인 DC전류를인가해주게된다. 회전자에인가되는전류에의해회전자권선은일정한방향으로자속을생성하게되는전자석의형태로 IPMSM의영구자석을대체한다. 식 (1) 은권선계자형동기전동기의토크수식이다. 2) a q d q d q T P i L L i i (1) Fig. 1은대상전동기의형상이다. Table. 1은대상전동기의형상치수및사양을나타내었다. 대상전동기는 8극 48슬롯의구조이며출력은 120[kW] 이며출력밀도는 2[kW/kg] 이다. 권선방식및방법은원형도선을사용해치에권선을감아주는일반적인권선방식을사용한분포권이다. 3. 출력밀도개선설계 3.1 헤어핀권선헤어핀권선은평각동선을헤어핀 (Hair-pin) 형태로성형하여고정자의슬롯에삽입하여끝부분을 (a) General Winding (b) Hairpin Winding Fig. 2 Comparison of the general winding and hairpin winding Table 1 Shape dimension and spec of initial model 종류항목 Unit 초기모델 극수 / 슬롯수 - 8/48 출력 kw 120 권선법 - 분포권 출력밀도 kw/kg 2 Fig. 1 Shape of initial model 1236

용접하는권선방식을말한다. 3) Fig. 2 은일반적인권선방식과헤어핀권선방식 을그림으로나타낸것이다. 점적률은고정자의슬 롯면적대비동선의면적을나타내는척도이다. 일 반적인권선방식은원형동선을사용하기때문에 슬롯안에차곡차곡동선을감더라도점적률이약 40[%] 이며슬롯면적의약 60[%] 가권선이차지하 지않는면적이며이를사공간 (Dead Space) 이라한 다.

5 용접하는권선방식을말한다. 3) Fig. 2 은일반적인권선방식과헤어핀권선방식 을그림으로나타낸것이다. 점적률은고정자의슬 롯면적대비동선의면적을나타내는척도이다. 일 반적인권선방식은원형동선을사용하기때문에 슬롯안에차곡차곡동선을감더라도점적률이약 40[%] 이며슬롯면적의약 60[%] 가권선이차지하 지않는면적이며이를사공간 (Dead Space) 이라한 다. 점적률이낮을수록사공간이슬롯면적에서 차지하는비율이증가하게되어동일한출력에서 전동기의부피를키우고무게를늘려동일한출력 하에출력밀도를낮추는원인이된다. 헤어핀권선방식의점적률은약 60[%] 수준으 로사공간이약 40[%] 수준으로일반적인권선 방식에비해사공간이줄어슬롯면적을저감시 킬수있다. 일반적인권선방식과동일한출력조 건에서비교할경우전동기의부피와무게를저감 시켜출력밀도를증가시킬수있는장점이있다. 3.2 개선설계 대상전동기의고정자슬롯면적이 1[p.u.] 이라면 반면에헤어핀권선방식을사용한개선설계모 델의경우 0.5[p.u.] 만필요하다. 고정자치의길이 가짧고폭을넓게설계할수있어치의포화도가 개선되어역기전력의 THD 가개선된다. T r F (2) 개선설계전동기의경우고정자의내경이증가되 어회전자의외경을대상전동기보다늘려줄수 있다. 회전자의외경을늘려주게되면토크는식 (2) 와같기때문에더적은힘으로도동일한토크 를발생시킬수있으며전동기의토크가동일하게 Fig. 3 Shape of initial model and improvement model 발생시키기위해개선모델의적층길이를줄여야 한다. 결과적으로전동기의부피와무게를줄이고 출력밀도를개선시킬수있다. 3.3 전동기형상치수및사양비교 Fig. 3에대상전동기와개선설계전동기의형상 을비교해놓았다. Table 2에는두전동기의형상치 수및사양을나타냈다. Fig. 3으로두전동기를비교 해보았을때고정자의외경은동일한반면에개선 설계모델은회전자의외경이증가했다. Fig. 4는기존모델과개선모델의선간역기전력을 나타낸그래프이고 Fig. 5는그 THD를나타내었다. 치폭이늘어나면서포화도가개선되어역기전력의 THD가개선되는것을확인할수있다. Fig. 6은기존모델의전동기효율맵이고 Fig. 7은 개선모델의전동기효율맵이다. 기존모델의최고 Table 2 Shape dimension and spec of initial and improvement model 종류항목 Unit 초기모델 개선모델 극수 / 슬롯수 - 8 / 48 최대출력 kw 120 고정자치길이 p.u 고정자치폭 p.u 고정자외경 p.u. 1 1 회전자외경 p.u 적층길이 p.u 고정자치폭 p.u 전동기부피 p.u 출력밀도 kw/kg Line-Line Back EMF[V LL ] 80 Original Model : 33.7 [V rms ] Hairpin Model : 36.4 [V 60 rms ] Electrical Degree [Deg] Fig. 4 Line to line BEMF of initial model and improvement model 1237

효율은 95.9[%] 이고개선모델의최고효율은 95.5[%] 로유사한수치를나타낸다. 기존모델의부피에비해개선모델의부피는 약 89[%] 로설계되었으며출력밀도는기존모델의 2[kW/kg] 에서 2.3[kW/kg] 으로 15[%] 만큼커졌다. Magnitude [%] 100 95 15 10 5 0 Fig.

결론본논문에서는기존의권선방식이아닌헤어핀권선방식을채택하여전기자동차용구동전동기인권선계자형동기전동기를개선설계하였다. 기존의권선방식은점적률이낮아사공간이많이존재할수밖에없어슬롯을크게설계할수밖에없었다. 하지만헤어핀권선방식은점적률이약 60[%] 수준으로일반적인권선방식에비해사공간이적어슬롯의면적을작게설계할수있다.

6 Efficiency map of initial model 1) D.S.Jung, J.H.Song, Y.H.Kim, H.D.Lee, Optimize Design of the Traction Motor Using the Hairpin Winding, The Korea Society Of Automotive Engineers, pp.

6 효율은 95.9[%] 이고개선모델의최고효율은 95.5[%] 로유사한수치를나타낸다. 기존모델의부피에비해개선모델의부피는 약 89[%] 로설계되었으며출력밀도는기존모델의 2[kW/kg] 에서 2.3[kW/kg] 으로 15[%] 만큼커졌다. Magnitude [%] Fig. 5 THD of line to line BEMF about initial model and improvement model THD of Original Model : 3.99% THD of Hair-pin Model : 1.69% Harmonic Order 4. 결론본논문에서는기존의권선방식이아닌헤어핀권선방식을채택하여전기자동차용구동전동기인권선계자형동기전동기를개선설계하였다. 기존의권선방식은점적률이낮아사공간이많이존재할수밖에없어슬롯을크게설계할수밖에없었다. 하지만헤어핀권선방식은점적률이약 60[%] 수준으로일반적인권선방식에비해사공간이적어슬롯의면적을작게설계할수있다. 그리고슬롯의면적을줄임과동시에치의폭을크게가져갈수있어역기전력의 THD 개선에도도움을주며동일한출력을내는전동기를설계할때부피와무게를저감시켜출력밀도를개선시킬수있는장점이있다. 전기자동차에탑재할전동기는부피와무게에제약이따르기때문에헤어핀권선방식을채택한다면전기자동차용구동모터를설계할시이점이될것으로예상된다. References Fig. 6 Efficiency map of initial model 1) D.S.Jung, J.H.Song, Y.H.Kim, H.D.Lee, Optimize Design of the Traction Motor Using the Hairpin Winding, The Korea Society Of Automotive Engineers, pp , ) B. H. Lee, Design and Maximum Efficiency Control of Wound Rotor Synchronous Machine for EV, Ph.D. Thesis, Department of Automotive Engineering, Hanyang University, February ) S.H.Do, B.H.Lee, S.H.Chai, J.P.Hong, Torque ripple reduction of wound rotor synchronous motor, The Korea Society Of Automotive Engineers, pp , Fig. 7 Efficiency map of improvement model 1238

듀얼클러치변속기용탈희토류영구자석동기전동기설계 박권일 * 정영훈 임명섭 홍정표한양대학교미래자동차공학과 Design of Rare-Earth Free Permanent Magnet Synchronous Motor For Dual Clutch Transmission Kwon

듀얼클러치변속기용탈희토류영구자석동기전동기설계 박권일 * 정영훈 임명섭 홍정표한양대학교미래자동차공학과 Design of Rare-Earth Free Permanent Magnet Synchronous Motor For Dual Clutch Transmission Kwon-Il Park * Young-Hoon Jung Myung-Seop Lim Jung-Pyo