低 코킹토크와 누설자속 특성을 갖는 EV용 스포크구조 영구자석 동기전동기의 설계 :

조주희

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자료유형: 학위논문

저자정보: 조주희 (군산대학교, 군산대학교 대학원)

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

영구자석형 동기전동기의 영구자석 스큐 방식에 대한 연구

조주희 , 김수용 , 송은선 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2022.11 학술대회자료

2021

低 코킹토크와 누설자속 특성을 갖는 EV용 스포크구조 영구자석 동기전동기의 설계

조주희 전자정보공학부 2021.01 학위논문

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전력 소비량의 지속적인 증가와 함께 대표적인 에너지 다소비 기기인 전동기의 고효율화에 대한 요구는 증가하고 있다. 또한 전기자동차의 보급이 확대되면서 가격이 높은 구동시스템의 저가격화에 대한 필요성이 높아지고 있다. 따라서 전동기의 저가격화를 위하여 가격이 저렴한 페라이트 영구자석을 적용하면서 출력밀도를 높이기 위한 스포크 구조 전동기의 다양한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문은 低 코깅토크와 누설자속 특성을 갖는 EV용 스포크 구조 영구자석 동기전동기의 설계에 대하여 기술하였다.
누설자속을 저감하는 회전자 구조를 도출하기 위하여 4가지 구조로 대표되는 기존 스포크 구조 전동기의 누설자속 저감 방법에 대하여 분석하였다. 이를 통하여 회전 적층 함으로써 코깅토크 및 누설자속을 저감하는 회전자 구조를 제안하였다. 제안된 회전자 구조는 코깅 토크, 쇄교자속, 회전자 응력 분포 분석을 통하여 타당성을 검증하였다.
스포크 구조 전동기 설계를 위한 설계 절차를 수립하였다. 기술된 설계 절차에 따라 0.5톤급 전기자동차의 동력 특성을 만족하기 위한 스포크 구조 전동기 설계를 수행하였다. 극수 슬롯 조합 선정, 영구자석과 전기강판 선정, 장하비 결정을 통한 기초 설계 과정을 기술하였다. 또한 스포크 구조 회전자 설계 시 고려해야 하는 축방향 누설자속, Ferrite 영구자석 적용 시 주의가 필요한 감자에 대하여 분석하였다. 마지막으로 회전자 구조해석과 열 유동 해석을 통하여 구조적, 열적 안정성을 확보하였다.
스포크 구조 회전자의 착자를 위한 분할 착자 요크를 설계하였다. 착자요크 설계의 타당성을 검증하기 위하여 착자요크 및 스포크 구조 회전자 시작품을 제작하여 착자시험을 수행하였다. 시험결과 95.1% 착자 가능함을 확인하였다.
스포크 구조 전동기 설계 검증을 위하여 전동기 시작품 제작 및 부하시험 설비를 구성하였다. 정격 운전, 최대토크 운전, 최대속도 운전에서 부하시험을 통하여 설계의 타당성을 검증하였다. 코깅토크 시험결과는 정격토크의 1% 수준으로 양호한 결과를 얻음으로써 본 논문에서 제안된 低 코깅토크와 누설자속 특성을 갖는 EV용 스포크 구조 회전자의 타당성을 검증하였다.

With the continuous increase in power consumption, the demand for high efficiency of the electric motor, which is a typical energy-consuming device, is increasing. In addition, as the growing demand of electric vehicles, it is necessary to reduce the price of expensive electric motor systems. Therefore, in order to reduce the price of the motor, various studies have been conducted on the spoke structure motor to increase the power density while using low cost ferrite permanent magnets. This paper describes the design of a spoke structure permanent magnet synchronous motor for EV with low cogging torque and leakage flux.
In order to propose the rotor structure to reduce the leakage flux, the method for reducing the leakage flux of the conventional spoke structure motor represented by four structures was analyzed. Through this, a rotor structure that can reduces cogging torque and leakage flux by rotational stacking is proposed. The proposed spoke structure rotor was verified by analyzing the cogging torque, flux linkage and rotor stress distribution.
The design process was established for the design of a spoke structure motor. According to the described design process, a spoke structure motor was designed to satisfy the dynamic characteristics of a 0.5 ton class electric vehicle. The basic design process of pole/slot combination, permanent magnet, electrical steel, and loading ratio determination was described. Also, analyzed the axial leakage flux, which should be considered when designing a spoke structure rotor, and demagnetization, which requires attention when applying ferrite permanent magnets. Finally, structural and thermal stability were obtained by rotor structural analysis and thermal fluid analysis.
Separated magnetizing yoke is designed for magnetization of spoke structure rotor. To verify the validity of the design of the magnetizing yoke, prototypes of the magnetizing yoke and spoke structure rotor were manufactured and the magnetization test was performed. As a result of the test, 95.1% magnetization was possible.
To verify the design of the spoke structure motor, a prototype of the motor was manufactured and a load test equipment was constructed. The validity of this design is verified through load testing at rated, maximum torque and maximum speed operation. And the cogging torque test result is 1% of the rated torque. This is a good result. Therefore, the validity of the proposed rotor structure in this paper was verified.

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