2.1.1 등가회로

그림 1은 립 다상 모터(M IPM : Independent Multi Interior Permanent Magnet Motor, 이하 ‘독립 다상 모터’)의 등가회로(n상:2상 이상 가능, n=자연수)와 제어원리로 구성되며 독립 제어로 1상 결선도를 보여준다. 이는 전기자동차에서 가지는 2차사고 예방을 위한 안정성을 최우선으로 하는 새로운 설계방식으로 한상이 끊어져도 나머지 상에 의해 구동되는 특징을 가지고 있다. 그림 1과 같이 결선도로 상 독립 병렬구조 결선 방식을 가지고 있다. 모터 구동방식은 모터 엔코더에서 신호를 받아 제어기(메인보드+독립 다상 스위칭부소자(IGBT))가 구동한다. 그림 2는 독립 다상 모터의 1상의 구동회로를 나타낸다. 그림과 같이 동작 결선은 메인 DC전원인 모터구동전원을 인가하고 각 상별 독립 구동회로를 구성하여 구동하고 피드백제어는 엔코더에 의해 신호를 받아 연산하여 속도 신호와 함께 구동하며. A상,B상,C상->B상,C상,D상으로 시퀀스로 구동하게 된다.

본 논문에서 제안한 독립 다상 모터는 그림 3은 ASS’Y이 조립도를 나타내고, 그림 4는 내부 구성도를 나타낸다. 그림 3, 4와 같이 모터를 설계하고 그림 1과 같은 등가회로로 모터를 내부 결선한다.

일반적인 모터 3상 유도기 등가회로는 Y결선이나 △결선으로 독립이 아닌 회로로 구성되어 있으며, 상이 하나 끊어질 경우 유도기 구동이 멈추게 되어 2차 사고의 원인이 되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해서 본 논문에서는 독립 구조로 한상이 끊어져도 나머지 상에 의해 구동되는 원리를 가지고 있다. 이 구조는 전기 자동차의 고장시 고속도로에서 2차사고로 일어나는 인명피해를 줄이고 안정성과 확장성이 뛰어난 독립 다상 모터를 설계한다. 그림 5는 독립 다상 모터의 한상 경우 DC 모터와 같이 구동되며

기자 회로 전압식은

여기서, 식 (1)의 전기자 방정식은 다음과 같은 성분들로 구성 된다.

$$ \begin{aligned} &V_{a} : \text{전기자 회로 전압(권선에 인가된 전압)}\\ &R_{a} : \text{권선 저항}\\ &L_{a} : \text{권선 인덕턴스}\\ &e_{a} : \text{권선에 발생하는 유기 기전력}\\ &V_{b} : \text{전압 강하 성분}\\ &i_{a} : \text{권선에 흐르는 전류}\\ \end{aligned} $$

2.1.2 전자기적 해석

그림 6은 다상 독립 모터의 3D 설계 개념도로 바깥이 돌아가는 아웃터 로터인 허브모터로 구성된다,

모터 구성은 하우징과 고정자, 회전자, 네오디늄자석, 엔코더, 센서 등으로 구성되어 있고, 고정자로 로터코어와 권선 및 센서로 구성되고, 회전자로 스테이트 코어, 네오디늄자석, 엔코더, 하우징 등이 구성되어 있다.

모터의 속도를 감지하는 엔코더와 센서로 구성된다. 기존 방식은 레졸버 등을 사용하므로 모터사이즈가 커지고 레졸버 가격만큼 비싸져 경쟁성이 떨어진다. 제안은 엔코더와 센서로 구성하여 속도, 모터위치, 약계자제어까지 하면서도 가격이 저렴하여 가격에 민감한 전지자동차 분야에 가장 적합한 시스템이다. 구동방식은 바깥이 돌아가는 구조로 되어 있으며, 모터의 회전위치를 파악하는 센서부는 투과형 포토인터럽터를 사용하여 하고 있다.

이에 대한 모터의 MAXWELL에 의한 극수 등에 의한 코깅 토크와 자석 밀도 설계해석, 그리고 엔코더 센서각에 의한 토크 및 출력을 해석하였다. 실제 자동차에 걸리는 토크는 다음 식과 같다.

$$ \begin{aligned} 단, \enspace &g : 중력가속도 \enspace 980cm/s^{2}\\ &u : 마찰계수\\ &J[kg-cm^{2}]=w+D^{2}/8:부하관성모멘트\\ &w [kg] : 중량\\ &D [cm] : \text{바퀴 지름}\\ &f [turn/s] : \text{등속회전 속도}\\ &t [sec] : 가속구간 \end{aligned} $$

그러나 모터 설계시 반영되는 토크는 대부분 Pole Number, Magnet pole arc ratio, Tooth Width, Diameter 등에 의해 좌우되며 [표 1]과 같이 해석이 가능하다.

그림 7은 전자기 해석시 모터에 작용하는 코깅 토크의 개선 전 파형을 나타내고 있다. Fig. 에서 보는 것처럼 상당히 코킹이 심한 것으로 사료된다. 전기자동차의 진동원인과 저 효율을 가질 수 있는 파라메타중 하나이다. 최종설계는 Cogging Torque 설계 개선 전, 후로 나누어 모터에 미치는 영향을 비교하였으며, 자석밀도 또한 비교하므로 모터의 안정성을 제시한다.

그림 8은 전자기 해석시 모터에 작용하는 자속밀도의 개선 전 파형을 나타내고 있다. 그림 에서 보는 것처럼 기존보다 상당히 자석밀도가 밀집되어 있는 것으로 나타난다. 이는 열 문제를 야기하는 중요한 요소가 된다. 모터의 안정성과 신뢰성에 문제가 된다.

그림 9는 전자기 해석시 모터에 작용하는 코깅 토크의 개선 후 파형을 나타내고 있다.

그림 10은 여기서, Magnet pole arc ratio와 Tooth Width를 설계시 보완하므로 그림에서 보는 것처럼 기존보다 상당히 코킹이 개선된 것으로 사료된다. 개선전은 6.5465Nm로 개선 후 2.5977Nm보다 상당히 높은 것으로 나타나고 있다. 전기자동차의 진동원인중 하나를 개선한 것으로 사료된다.

그림 10은 전자기 해석시 모터에 작용하는 자석밀도의 개선 후 파형을 나타내고 있다. 그림에서 보는 것처럼 기존보다 상당히 자석밀도가 개선되어 개선전보다 열문제가 상당히 해소된 것으로 나타나며, 모터의 안정성과 신뢰성에 면에서 개선된 것으로 사료된다.

그림 11은 MAXWELL 프로그램 이용하여 각도에 따라 토크, 출력, 효율 및 Back EMF 해석을 실시하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 코깅 토크의 해석 결과 2.5977Nm 파형을 분석하였고, 설계 목표치에 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 실제 본 모터는 전자 모터이므로 센서각도에 의해 출력이 좌우되며, 그에 따른 MAXWELLL 2D SIMULATION의 파형이 그림 11과 같다. 센서각 7.5deg나 20deg보다 15deg가 가장 안정적이며, 출력 또한 설계 마력수가 나오고 있다. 이는 SIMULATION과 실측으로 검정하였다.

2.1.3 제어기

그림 12는 독립 다상 모터의 제어기 구성도 이다. 입력 지령(속도)에 의하여 속도제어기를 거쳐 공간벡터 스위칭으로 모터를 구동하게 된다. 구성은 속도 지령치, 속도제어기, 전류 detector, 공간 벡터 제어기, 스위칭 소자부 및 can통신부 로 구성된다. 속도에 따라 과전압과 과전류를 detecting하는 보호회로가 장착되어 있으며, 기본 토크제어와 자동차의 기능중 하나인 위상제어로 순간적으로 속도를 가속하는 기능이 포함되어 있다.

또한 구조상 독립 구조로 모터의 한상이 끊어져도 모터가 구동되는 원리를 가지고 있다. 또한 전기자동차로 외부와 인터페이스를 위해서 필히 can통신 방식을 사용하여야 한다. 그리고, 전기자동차의 기능중하나인 원할한 가속기능 구현을 위해서 위상 제어를 통하여 약 계자제어를 하였다. 모터의 속도위치는 엔코더에 의해서 관할한다.

그림 13은 엔코더와 센서부를 나타내는 것으로 독립 다상 모터는 센서에 의해 구동되는 전자 모터이며 속도와 위치제어는 엔코더와 센서에 의해 제어되며 기존의 레졸버를 사용하지 않아도 되는 장점으로 가격과 모터 크기 축소 등이 있다.

그림 14는 4상 모터의 제어 방식으로 HALF여자 방식으로 1상이 비 여자 되어 쉬어주므로 열손실이 기존의 FULL 여자방식에서 가지는 열 문제를 혜결 하고 있다.

그림 15는 4상 독립 다상 모터의 제어회로의 전체적인 제어회로 구성도를 나타내고 있다. 프로세서 Atmega128을 사용하고 있으며, 개별 구동소자의 제어 회로 구성도를 나타내고 있다.