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

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1 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 Hong Department of Automotive Engineering, Hanyang University, 222, Wangsimni-ro, Seongdong-gu, Seoul , Korea Abstract : Rare earth Permanent Magnet (PM) has been widely used in the electric motor due to the high magnetic flux density. However, minimizing the use of rare-earth permanent magnet in the electric motor is needed because of the limited supply and price fluctuation of rare-earth permanent magnets. In this paper, a method is suggested to replace the Surfaced-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor (SPMSM) using neodymium magnet with Concentrated Flux Synchronous Motor (CFSM) using the ferrite magnet as keeping the same performance. To achieve this, various design parameters such as the width of PM, the thickness of PM, fastening part are adjusted. In result, although a 47% in volume increases compared to SPMSM, electrical characteristic under the same load condition is similar and the torque ripple has been reduced by 7%. Key words : Concentrated Flux Synchronous Motor ( 자속집중형동기전동기 ), Dual Clutch Transmission ( 듀얼클러치변속기 ) Ferrite Permanent Magnet ( 페라이트영구자석 ), Neodymium Permanent Magnet ( 네오디뮴영구자석 ), Surfacemounted Permanent magnet Synchronous Motor( 표면부착형동기전동기 ). Nomenclature B g : air gap magnetic flux density, T B r: residual induction, T A g : area of air gap, mm 2 D : inner diameter of stator, mm p : number of pole pair h m : width of permanent magnet, mm t m : thickness of permanent magnet, mm g : length of air gap, mm : rotation velocity, rad/s μ rec : permanent magnet recoil permeability L stk : lamination length, mm V a : voltage of phase, V R a: resistance of phase, ohm L a: inductance of phase, H k T : torque constant k e : back electromotive force constant * 박권일, zkdn7769@hanyang.ac.kr 1

1. 서론 최근전세계적인녹색화정책으로인해, 자동 차의연비개선에관한기술개발이이루어지고 있다. 특히자동차파워트레인은차량연비효율에가장큰영향을미치는인자이다. 1) 그중에서도 변속기의성능은전체차량의에너지효율에큰영 향을미치게된다. 따라서높은전달효율을가지 는 Dual Clutch Transmission(DCT) 이차량에많이적 용되고있다.

2) 현재대안으로연구되고있는전동기는회전자 에권선을감고외부전원으로부터전류를입력하 여영구자석계자를대체하는 Wound Field Synchronous Motor (WFSM) 가있다.

가있다. 본논문에서는기존에사용되고있는네오디뮴 (Nd-Fe-B) 자석을이용한 SPMSM 을페라이트자석 을이용하여동일성능을만족하는 CFSM 으로설계 하는방법을제시한다. 이를위해영구자석의폭, 두께, 체결부의형상을설계변수로하여 Parametric Design 을수행하였다.

2 1. 서론 최근전세계적인녹색화정책으로인해, 자동 차의연비개선에관한기술개발이이루어지고 있다. 특히자동차파워트레인은차량연비효율에가장큰영향을미치는인자이다. 1) 그중에서도 변속기의성능은전체차량의에너지효율에큰영 향을미치게된다. 따라서높은전달효율을가지 는 Dual Clutch Transmission(DCT) 이차량에많이적 용되고있다. DCT 에사용되는전동기는에너지밀 도가큰희토류자석을이용한전동기가사용되고 있다. 하지만, 희토류영구자석가격의급격한변 동과잠재적으로수급의제한이있기때문에희토 류영구자석사용을최소로하거나희토류탈피전동기연구가필요하다. 2) 현재대안으로연구되고있는전동기는회전자 에권선을감고외부전원으로부터전류를입력하 여영구자석계자를대체하는 Wound Field Synchronous Motor (WFSM) 가있다. 3) 또한, 페라 이트자석을이용하며형상적으로 Surface-mounted Permanent Magnet Motor(SPMSM) 와 Interior Permanent Magnet Motor(IPMSM) 보다영구자석을 많이사용할수있으며, 자석이방사형으로배치되 어자속이집중되는구조를가진 Concentrated Flux Synchronous Motor(CFSM) 가있다. 본논문에서는기존에사용되고있는네오디뮴 (Nd-Fe-B) 자석을이용한 SPMSM 을페라이트자석 을이용하여동일성능을만족하는 CFSM 으로설계 하는방법을제시한다. 이를위해영구자석의폭, 두께, 체결부의형상을설계변수로하여 Parametric Design 을수행하였다. 또한 2-D 유한요소 해석프로그램을이용하여 SPMSM 과 CFSM 의전 기적특성을파악하고동일성능을만족하는것을 검토한다. 2. 기존 SPMSM 특성 Table. 1 은기존전동기의구동조건을나타낸다. 전동기의특성을검토하기위해 2-D 유한요소해석 프로그램을이용하여기존 SPMSM 의무부하및 부하특성을검토하였다. Fig. 1(a) 은무부하시극당 공극자속밀도를나타내고, Fig. 1(b) 는부하특성 을나타낸다. Table. 2 는 SPMSM 의특성해석결과이 Table. 1 전동기구동조건 단위 값 토크 Nm 0.42 속도 rpm 3000 최대선전류 A rms 22.5 (a) 무부하시극당자속밀도분포 (b) 특성곡선 Fig. 1 SPMSM 특성 Table. 2 SPMSM 특성해석결과 토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치 제한 해석치 제한 해석치 제한 다. 토크 0.42Nm에서속도 3503rpm, 최대선전류 16.14A rms 의값을확인하였으며, 전동기구동조건 을만족함을확인하였다. 2

3. CFSM 설계프로세스 CFSM은형상적으로 SPMSM보다영구자석의양을많이사용할수있으며자석이방사형으로배치되기때문에자속이집중되는구조를가지고있다. 이러한이점을활용하여, 페라이트영구자석을이용한동일한극수의 CFSM으로설계를진행하였다. Fig.

3은설계프로세스를보여준다. 3.1 초기모델설계초기설계모델은기존 SPMSM과동일한부피에대해진행하였다. CFSM의경우비자성체의두께에따라영구자석의폭, 두께가변화하기때문에동일부피내에서공극자속이가장큰영구자석의폭, 두께를산정하였다. 유한요소해석을이용하여비자성체두께에따른평균공극자속밀도를 Fig. 4에서비교하였다. 그결과비자성체두께가 3.

3 3. CFSM 설계프로세스 CFSM은형상적으로 SPMSM보다영구자석의양을많이사용할수있으며자석이방사형으로배치되기때문에자속이집중되는구조를가지고있다. 이러한이점을활용하여, 페라이트영구자석을이용한동일한극수의 CFSM으로설계를진행하였다. Fig. 2은 CFSM(Concentrated Flux Synchronous Motor) 의형상을보여준다. SPMSM과동일부피에서최대공극자속량을발생시키는회전자를설계한후, 동일공극자속량을만족시키는회전자설계를하기위하여수식을이용하여설계를진행한다. 그후전동기구동조건을만족시키기위하여고정자치, 요크폭체결부의형상을변수로설정하여설계를진행하였다. Fig. 3은설계프로세스를보여준다. 3.1 초기모델설계초기설계모델은기존 SPMSM과동일한부피에대해진행하였다. CFSM의경우비자성체의두께에따라영구자석의폭, 두께가변화하기때문에동일부피내에서공극자속이가장큰영구자석의폭, 두께를산정하였다. 유한요소해석을이용하여비자성체두께에따른평균공극자속밀도를 Fig. 4에서비교하였다. 그결과비자성체두께가 3.5mm 일때평균공극자속밀도가가장큰것을알수있다. 따라서초기 CFSM의비자성체두께는 3.5mm, 영구자석두께및폭은각각 2.8mm, 7.5mm로설정하였다. Fig. 5는동일부피에서회전자만 CFSM으로변경한초기 CFSM모델에대하여무부하시공극자속밀도를비교하였다. 해석결과동일부피에서 SPMSM이 CFSM보다평균공극자속량이 1.7배높은것을알수있다. Fig. 2 CFSM(Concentrated Flux Synchronous Motor) Step 1 : Parametric design 을통한최대공극자속량회전자설계 ( 동일부피 ) Step 2 : 동일공극자속량만족하는회전자설계 ( 수식이용 ) Step 3 : Parametric design 을통한고정자치요크폭설계 Step 4 : Parametric design 을통한체결부형상설계 Step 5 : 최종모델결정 Fig. 3 CFSM design process 3.2 개선모델설계기존 SPMSM과동일한공극자속량을맞추기위하여영구자석의폭과고정자외경을증가시킨다 고정자외경및영구자석폭산정고정자외경및영구자석폭을산정하기위하여식 (1) 을이용하여영구자석의폭및고정자, Fig. 4 비자성체두께에따른평균공극자속밀도 회전자외경의증가비율을결정하였다. 3

Table. 3 Model1 공극자속량비교 항목 SPMSM CFSM 공극자속 [wb] 5.44 10 5 5.38 10 5 Table. 4 Model1 특성해석결과 토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치 제한 해석치 제한 해석치 제한 0.42 0.42 3083 3000 17.75 22.5 Fig.

특성해석결과속도및선전류가전동기구동조건에만족하는것을알수있다. 속도조건에여유를주기위하여식 (2) 를이용하여상당직렬턴수를줄여, 인덕턴스및저항을감소시켜속도를증가하는설계를추가로진행하였다. 이때산정된모델을 Model2라한다. Table.

6 Model2 특성해석결과 토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치 제한 해석치 제한 해석치 제한 0.42 0.42 3272 3000 19.03 22.5 T T Va R a / ke jl a 2k T 2k T (2) Table. 6은 Model2의특성해석결과를나타낸것이다.

4 Table. 3 Model1 공극자속량비교 항목 SPMSM CFSM 공극자속 [wb] Table. 4 Model1 특성해석결과 토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치 제한 해석치 제한 해석치 제한 Fig. 5 동일부피 CFSM, SPMSM 의공극자속밀도비교 Br DL gm B g A g D 2g rec 4 p 4 ph t m m stk (1) 이때산정된모델을 Model1이라한다. Table. 3 는 Model1의공극자속량과 SPMSM의공극자속량을비교하였고, 동일한크기의공극자속량을나타내는것을알수있다. Table. 4은 Model1의특성해석결과를나타낸다. 특성해석결과속도및선전류가전동기구동조건에만족하는것을알수있다. 속도조건에여유를주기위하여식 (2) 를이용하여상당직렬턴수를줄여, 인덕턴스및저항을감소시켜속도를증가하는설계를추가로진행하였다. 이때산정된모델을 Model2라한다. Table. 5는산정된 Model1, Model2의정보이다. Table. 5 Model1, Model2 정보 항목 단위 Model1 Model2 회전자 / 고정자외경 mm 44 / / 67.8 영구자석폭 / 두께 mm 14 / / 2.8 상당직렬턴수 Table. 6 Model2 특성해석결과 토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치 제한 해석치 제한 해석치 제한 T T Va R a / ke jl a 2k T 2k T (2) Table. 6은 Model2의특성해석결과를나타낸것이다. 특성해석결과 Model2의회전속도가 Model1보다증가했음을알수있다. 또한, 특성해석결과를바탕으로부하해석을진행하였으며부하해석결과, 고정자치의포화로인하여평균토크가전동기구동조건에만족하지못하였다. 부하해석결과는 Fig. 6와같다. Fig. 6 Model2 부하해석결과 고정자치요크폭산정고정자치의포화로인하여전동기구동조건의평균토크를불만족하기때문에, 동일슬롯면적에서고정자치와요크폭을변화시키면서평균토크를확인하였다. Fig. 7에서알수있듯이 4

(a) (b) Fig. 7 고정자치폭에따른평균토크 (c) (d) Fig.

에따른최대응력및역기전력 (d) Width 에따른최대응력및역기전력 지점에서설계를진행하였다 Fig.

7 Model3 특성해석결과토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치제한해석치제한해석치제한 0.42 0.

이때산정된모델을 Model3라한다. Fig. 8는 Model3의특성곡선을나타내며, Table. 7은특성해석결과를나타낸다. 3.

9(a) 는체결부의변수를나타내며, Fig. 9(b), (c), (d) 는각각변수에따른최대응력및역기전력을나타낸다.

11(a) 는 SPMSM 과 Model3 의특성곡선을나 타내며, 두전동기는동일부하에서특성이크 게차이나지않는것을볼수있다.

5 (a) (b) Fig. 7 고정자치폭에따른평균토크 (c) (d) Fig. 9 설계변수및그에따른결과 (a) 설계변수 (b) Upper Radius 에따른최대응력및역기전력 (c) Height 에따른최대응력및역기전력 (d) Width 에따른최대응력및역기전력 지점에서설계를진행하였다 Fig. 8 Model3 특성곡선 Table. 7 Model3 특성해석결과토크 [Nm] 속도 [rpm] 선전류 [Arms] 해석치제한해석치제한해석치제한 치폭이 3.6mm에서최대평균토크를나타내는것을확인할수있다. 이때산정된모델을 Model3라한다. Fig. 8는 Model3의특성곡선을나타내며, Table. 7은특성해석결과를나타낸다 체결부전동기가고속회전시영구자석및철심이구조적으로비산하는것을방지하기위하여체결부를사용하였다. Fig. 9(a) 는체결부의변수를나타내며, Fig. 9(b), (c), (d) 는각각변수에따른최대응력및역기전력을나타낸다. 변화시킬변수를제외한다른변수는중앙값으로고정을하고진행을하였다. 체결부형상에따른역기전력의변화가없기때문에최대응력이가장낮은 최종모델결과 Fig. 10 는체결부를고려한 Model3 의형상이다. Fig. 11(a) 는 SPMSM 과 Model3 의특성곡선을나 타내며, 두전동기는동일부하에서특성이크 게차이나지않는것을볼수있다. Fig. 11(b) 는 SPMSM 과 Model3 의부하해석결과를나타낸 것이며, CFSM 이 SPMSM 보다토크리플이 7% 감 소하는것을볼수있다. 4. 결론 본논문은희토류영구자석을이용한 SPMSM 을동일성능을만족하며페라이트자석을사용한 CFSM 으로의설계방법을제시하였다. 유한요소 해석을이용하여 SPMSM 과동일한공극자속량 을갖는회전자를설계한후고정자의치, 요크 폭을재산정하였다. 고속회전시자석및철심 의비산을방지하기위하여체결부형상을고려 하여설계를진행하였다. SPMSM 대비 47% 의부피증가를보였으나, 동 일부하에서특성차이는크지않으며토크리플은 5

References 1) Jin-sung Kim, Sei-bum Choi Design and Control of Clutch

Engineers, pp.341-341, 2014 Fig. 10 체결부를고려한 Model3 2) K. Sung Il, C.

Seong teak, Characteristics Comparison of a Conventional and Modified Spoke

IEEE Transactions on Industry Application, Vol,49, No.6, pp.

3) Jung Pyo Hong Trends of Wound Field Synchronous Motor Development, The

6 References 1) Jin-sung Kim, Sei-bum Choi Design and Control of Clutch Actuator for Dual Clutch Transmission, The Korean Society of Automotive Engineers, pp , 2014 Fig. 10 체결부를고려한 Model3 2) K. Sung Il, C. Jin-woo, P. Tae sang, L. Seong teak, Characteristics Comparison of a Conventional and Modified Spoke Type Ferrite Magnet Motor for Traction Drives of Low Speed Electric Vehicles, IEEE Transactions on Industry Application, Vol,49, No.6, pp , November / December ) Jung Pyo Hong Trends of Wound Field Synchronous Motor Development, The Korean Society of Automotive Engineers journal, Vol.35, No.10, pp.31-37, 2013 (a) SPMSM, CFSM 특성곡선 (b) SPMSM, CFSM 부하해석 Fig. 11 SPMSM, CFSM 특성 7% 저감이되었다. 본논문에서제시한설계프로세스를이용하여각각의단계의수렴율을낮춰진행을한다면, 부피를더욱감소시킬수있을것으로생각된다. 6

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

www.ksae.org 2015 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 KSAE 2015 Annual Conference and Exhibition 기간 : 2015. 장소 : 11. 18 (수)~21(토) 후원 : 헤어핀권선을이용한 EV 구동용 WFSM 의출력밀도개선설계 차경수 * 박진철 채승희 홍정표한양대학교미래자동차공학과 Power Density Improvement