본 학위 논문에서는 전동기의 효율을 향상시키기 위해 점적율을 극대화 하는 코일구조를 인휠타입(In-Wheel-Type) 전기자동차용으로 사용되는 페라이트(Ferrite) 영구자석형동기전동기(PMSM)에 적용하여 그 전자기적 특성을 분석 하였다. 이번 연구에서 제안한 코일구조는 마그네틱 코어 내부의 단위면적당 도체비율인 점적율(Conductor-Occupying-Ratio)을 극대화 하는 특수 형상을 가진다. 전자기 이론에 따른 분석에 의해 점적율을 극대화 한 코일은 기존의 환형동선(Round Copper Wire)을 적용한 전동기에 비해 특정 작동 구간에서 높은 전기적 효율과 더 나은 발열 효과를 가진다.
전동기의 효율을 증대시키는 연구는 경제적 또는 환경적으로 긍정적인 효과를 유발 한다. 특히 전기자동차의 경우 전동기의 효율은 기존 내연기관 엔진의 연비와 비교되는 개념으로 세계 각국의 자동차 회사들이 치열하게 전기자동차용 전동기의 고효율화에 매진하고 있다. 전동기 고효율화를 위한 여러 연구방향 중 마그네틱코어(Magnetic Core) 내부의 점적율을 극대화 하는 설계 방법은 모터의 동작특성 또는 효율을 개선하는 주요한 방법 중 하나이다.
점적율을 극대화 하는 새로운 방식의 코일을 마그네틱 코어 전기자 권선에 적용하여 특정 작동 구간에서 전기자동차용 전동기의 효율을 증대하는 방법을 검토 하였다. 저전압 고 전류 시스템을 지향하는 최근의 전기자동차용 전동기의 권선구조로 주목 받고 있는 평각 구조의 도체는 구조적인 특징으로 환형동선에 비해 마그네틱 코어 구조 내에서 많은 공간 확보가 가능하다. 또한 환형동선 코일에 비해 높은 점적율을 가지는 장점을 가지나 그 제작이 까다롭다.
전동기가 작동하고 있는 상황에서 마그네틱 코어 내부의 도선(도체, Conductor)의 경우, 도체중심에 가까울수록 자속쇄교수가(Flux-Linkage) 커서 전류밀도가 작고 가장자리에는 전류밀도가 상대적으로 커진다. 따라서 실제 도체단면적이 넓더라도 전류밀도가 낮은 부분 때문에 실효 저항이 커지고 그 결과 도체의 저항이 증가하게 된다. 주파수에 따른 저항의 증가는 동손(Copper Loss)를 증가시켜 전동기의 초기 효율에 악영향을 미치게 된다. 평각동선의 경우 단면적이 환형 동선에 비해 넓기 때문에 일반적인 AC 전동기에 사용되는 경우 작동 주파수 영역에 따라 도체가 받는 전기적 영향이 가는(Fine) 환형동선들에 비해 크다. 이러한 특징을 가지는 평각동선의 특성을 면밀히 파악하기 위해, 표피효과(Skin Effect)와 근접효과(Proximity Effect)의 영향이 고려 되어야 할 필요가 있다.
전기자동차용 교류 전동기에 적용된 평각 구조를 가지는 코일의 전기적 효용성을 검증 하기 위해 코일 도체에 인가되는 AC주파수에 따른 표피효과와 근접효과의 영향을 분석 하였다. 더 나아가 실제 전동기가 작동하는 동일한 전기적 상황에서 점적율을 극대화 하는 코일 도체 단면의 전류밀도 분포를 유한요소해석(FEA: Finite Element Analysis) 방법으로 시뮬레이션 하였다. 그리고 이 결과 산정된 동손(W_c, Copper Loss)을 바탕으로 일반적인 환형 동선이 적용된 경우와 점적율을 극대화한 코일이 적용된 모터가 구동되는 두 가지 상황을 가정하여 비교 분석하였다. 이후 분석된 데이터를 기반으로 전동기의 실제 작동 주파수범위에 따라 두 가지 코일이 적용된 전동기의 효율을 각각 d-q축 등가회로 전압방정식을 활용하여 산정하고 비교 하였다. 그리고 설계한 MSO(Maximum Slot Occupy)코일을 특수 가공하여 실제 완성된 코일 성형체의 주파수에 따른 동손(R_ac: AC Resistance)을 LCR 미터(HIOKI 社)로 실험적으로 측정하여 분석했다.
최종적으로 동일한 치수와 힘, 회전 수 설계를 가지나 전기자 권선 형상이 차별화된(환형코일, MSO코일) 두 전동기를 제작하여 비교 구동 시험하였다. 결론적으로는 점적율을 극대화 하는 MSO코일이 효율 향상에 어느 정도 이점이 있는지 검증 하였다.

In this study, we propose a conductor structure that maximizes the conductor-occupying?ratio (space factor) of a coil that is use for In-Wheel-Type ferrite synchronous motor of car. This Concept of coil is so called MSO (Maximum Slot Occupy) that we named. And we analyze the electromagnetic properties and structure of the coil conductor that increase the conductor occupying ratio against the annual round copper coil to decrease the AC resistance of motors. The proposed conductor has the same cross-sectional area, and its sectional shape varies according to its location in a magnetic core slot. MSO coil coiled motor has also higher electrical efficiency and a better heating effects in certain operating range than the conventional round copper coil.
The study of increasing the efficiency of the motor is causing positive effect of economy and environmentally. In particular, the concept of motor efficiency of electric car is compare to efficiency of internal combustion engine of car. So the efficiency of motor is highly purchase requirements of electric car market. In the same context, design ways to maximize space factor inside the magnetic core is one of the several research direction to make the high efficiency of motor. Rectangular shape of coil to maximize the conductor occupying ratio (space factor) is primary means of increasing the operating characteristics of high efficient motor in the research field.
Assembled the MSO coil to conventional magnetic core structure and examined how the motor is increasing the efficiency at the particular operating frequency. MSO coil kind if rectangular wide cross-sectional coil has lower resistance is now widely uses in electric car industry. And Kind of wide coils offers better power output endure and save electric energy at low-voltage, high-current motor system. Significantly, MSO coil reduces the whole waste space of inner magnetic core. But the problem of lack of productivity of MSO coil, is needs to be solve.
When motor in in operating conditions, coil conductor has flux-linkage around. And the linkage of flux magnetics are multiply overlaped from the middle of conductor cross sectional plane. Against, flux linkage has small numbers in the edges. Therefore, even the cross section plane is larger, magnetic force (flux linkage) from the middle of conductor protrude the current density towards edges of conductor. This physical phenomenon provoke the reducing of effective conductor cross-section that leads to increasing the AC resistance.
Rectangular shape coil such as MSO coil has larger cross sectional plane. So compare to the conventional fine round copper coil, MSO is get more affect to the magnetic flux force to increase the AC resistance. Therefore, the effect of Skin effect and proximity effect of magnetic force is needs to be considered.
In order to verify the electric effectiveness of the rectangular coil analyzed the effect of the skin effect and the proximity effect according the AC frequency. Furthermore, analyzed the MSO coil at the operating boundary condition and applied the frequency that when motor is running. And analysis the electric loss and whole efficiency of motor using the d-q equivalent equation with sort of electro-magnetic FEA analysis results. And experiment the MSO coil and conventional fine round copper wire to comparison the AC resistance to collate to the stimulation results of FEA.
Finally, produced the two type of motor (MSO coil, round coil) and experiment the compare test drive. These two motor has same size of motor, same core size, same turn number per phase.
In conclusion, maximum slot occupying MSO coil has better efficiency, output endure and thermal properties of motor.