1.1 연구의 배경

최근 화석 연료의 무분별한 사용으로 인한 심각한 환경오염과 지구 온난화가 가속되고 있으며, 전 세계적으로 2050년까지 탄소 중립 실현을 위해 친환경 법규가 강화되고 있다^[1]. 자동차 산업에서는 이러한 정책에 발맞추어 차량 고 효율화를 위한 부품 및 시스템의 전장화(electrification), 그리고 친환경 차량의 도입이 증가되고 있다. 이로 인해 2040년경에는 전 세계적으로 생산되는 차량의 약 90%, 그리고 도로에서 운행되는 차량의 50%가 이러한 친환경 차량으로 대체될 것으로 예상된다^[2]. 또한 통신, 센서 및 인공지능 기술의 비약적인 발전과 이들 간의 융합으로 인해 미국자동차 학회(SAE, society of automotive engineers)에서 정의한 Level 5 수준의 자율주행 기술이 머지않아 상용화 될 것으로 예상되며, 이로 인해 보다 엄격한 자동차 안전 규격이 요구된다^{[3, 4]}.

조향 시스템의 경우 전동화를 통해 기존 유압식 시스템 대비 약 3-5%의 차량 연비 개선과 친환경화를 이룰 수 있었지만^[5] 향후 자율 주행 기술의 핵심적인 역할을 수행하기 위해서는 안전성이 높은 중복 설계(redundancy design)가 요구된다. 이를 위해서는 시스템의 고장이 발생되더라도 주기능이 유지될 수 있도록 기존 시스템 대비 많은 수의 부품들을 사용하여야하기 때문에 부품 및 시스템 제조사들에게는 제조비용 상승에 대한 부담이 될 수 있지만, 조향 안전성 확보 측면에서 필수적인 요구조건이 되고 있다^{[6, 7]}.

이중 권선 전동기는 이러한 강화된 안전 규격을 만족시키기 위해 도입되었으며 외부에서는 하나의 전동기로 보이지만 내부에는 독립된 2개의 3상 권선으로 이루어져 각 제어기에 의해 동작되는 구조이다. 일반 3상 전동기를 채용한 기존의 전동식 조향장치에서는 전동기나 제어기에 결함 발생 시 전원이 차단됨으로써 주 기능인 운전자의 조향 보조 기능을 상실하게 된다. 그러나 이중 권선 전동기를 도입함으로써 고장이 발생되더라도 정상적인 나머지의 3상 권선에 의해 운전자의 조향을 보조해 줄 수 있게 된다. 비록 2개의 3상 권선으로 구동되던 정상 상태 대비하여 그 출력이 50% 이하로 저감되겠지만 주요기능인 조향 보조 기능을 유지할 수 있는 것이 이중 권선 전동기의 가장 큰 특징이 된다. 이러한 장점으로 인해 자동차용 조향 시스템에 이중 권선 전동기 및 제어 시스템이 도입이 증가되고 있는 추세이다^{[6, 8]}.

1.2 연구의 목적 및 방법

전동기에서 발생될 수 있는 있는 전기적인 결함은 단선(electric open-circuit)의 경우와 단락(electric short-circuit)에 의한 경우가 있다. 이중 권선이 도입된 시스템에서 하나의 3상 권선에서 결함이 발생되면 나머지의 정상적인 3상 권선으로만 전동기가 구동된다. 이때 전동기의 특성은 결함 유형에 따라 그 영향도가 상이하게 나타난다. 만약 단선 결함의 경우라면 나머지 하나의 3상 권선에 의해 정상시 대비 50%의 출력으로 운전되지만, 단락 결함 시에는 고장 발생된 권선에서 단락 전류와 blocking torque의 영향으로 50%의 출력보다 낮아지게 된다. 이러한 출력 저하는 고장 유형별 blocking torque의 영향으로 상이하게 나타난다.

전기적 단락 결함시 전동기 특성에 대해서는 많은 선행 연구들이 일반 3상 권선 전동기를 대상으로 설명하고 있으며^[9-13], 제어적으로 고장발생을 진단하는 기법을 제안^[14]하거나 고장 발생시 성능저하를 완화시키는 기법을 제안^[15]하는 연구 등이 있다.

본 논문에서는 조향용 이중 권선 전동기를 대상으로 하나의 3상 권선에서 발생될 수 있는 전기적 결함 유형에 대해 정의한 후 각 결함발생시의 blocking torque와 단락전류 비교하여 가장 악조건의 결함을 도출하였다. 그리고 각 고장 모드별 전체 전동기 출력에 대해 특성 분석하여 정상상태의 출력과 비교하였다.

3.1 전기적 결함 유형

Fig. 4와 같이 2개의 3상 권선(a1b1c1과 a2b2c2)으로 구성된 이중 권선 전동기에서 두 번째 3상 권선(a2b2c2)에서 발생될 수 있는 전기적 고장 모드는 Fig. 5와 같이 총 5가지의 경우를 고려해 볼 수 있다. Fig. 5(a)는 3상 단선의 경우이며 Fig. 5(b)부터 Fig. 5(d)까지는 각각 3상, 2상, 그리고 1상 단락의 경우이다. 그리고 Fig. 5(e)는 슬롯내의 턴 간 단락을 나타내며 가장 악조건인 첫 번째 턴과 마지막 턴 간의 단락이 발생된 경우이다.

Fig. 4. Dual winding system

Fig. 5. Electrical fault cases at 3-Phase Winding(\#2) (a) 3phase open circuit (b) 3phase short circuit (c) 2phase short circuit (d) 1phase short circuit (e) inter-turn short circuit

3.2 해석 모델

앞서 정의된 5가지의 고장 발생 시 전동기 특성을 검토하기 위한 해석 모델은 8극 12슬롯 영구자석 표면 부착형 전동기이며 이에 대한 제원과 형상은 Table 1과 Fig. 6과 같다.

Fig. 6. Analysis model

3.3 전기적 단락 고장시 Blocking Torque 특성

선정된 해석 모델을 이용하여 두 번째 3상 권선(a2b2c2)에서 각 단락 고장 발생된 경우를 가정하여 회전 속도에 따라 발생되는 blocking torque와 단락 전류를 유한요소해석 통해 계산하였다. Fig. 7과 Fig. 8은 전기적 단락에 따른 blocking torque와 단락 전류의 해석 결과를 나타낸다. 유한 요소 해석 결과 앞서 이론적으로 분석한 결과와 동일한 경향을 나타낸다. 즉, blocking torque의 경우 속도에 따라 점차 증가하다 어느 속도 영역에서부터 감소하는 형태를 보이며, 단락 전류의 경우는 점차 포화가 이루어져 더 이상 증가하지 못하게 된다. 이들의 크기는 각 고장 모드별 상이하게 나타나며 3상 단락의 경우 가장 큰 blocking torque가 발생되는데 이는 단락된 상의 수가 가장 많은 경우이기 때문이다. 2상 단락된 경우와 1상 단락시의 blocking torque는 그 값의 차이가 크지 않은데 이는 1상 단락시의 단락 전류가 2상 단락시 대비 휠씬 크기 때문이다. 또한 슬롯 내부 턴 간의 경우 단락 전류의 크기가 1상 단락시와 유사하게 크지만 단락회로상의 턴수가 작기 때문에 가장 낮은 blocking torque를 보인다.

Fig. 7. Blocking torque analysis result

Fig. 8. Short circuit current analysis result

3.4 전기적 단락 고장시 속도-토크 특성

고장이 발생된 상태에서 나머지 하나의 정상적인 3상 권선에 의해 구동될 때의 특성은 Fig. 9과 Fig. 10과 같다. 두 그림에서 ‘Healthy (2x3phase)’ 조건은 정상적으로 두 3상 권선으로 동시에 운전될 때의 특성을 나타낸다. ‘3Phase Open Circuit’은 두번째 3상 권선(a2b2c2)에서 단선 결함 상태에서 첫번째 3상 권선(a1b1c1)에 의해 발생되는 전동기 특성을 나타내며, 하나의 3상 권선으로 구동하기 때문에 전 영역에 걸쳐 정상 조건인 ‘Healthy (2x3phase)’ 대비 약 50%의 출력이 발생된다. 하지만 하나의 3상 권선에서 전기적 단락이 발생했을 경우 3.3절에서 분석한 것과 같이 blocking torque가 발생하게 되어 나머지 하나의 3상 권선에서 발생되는 토크를 저하시키게 된다. 각 고장 모드별 전동기 특성을 비교하면 blocking torque가 가장 크게 발생되었던 ‘3Phase Short Circuit’의 경우 저속에서부터 많은 성능 저하를 보인다. Fig. 11은 blocking torque가 가장 크게 발생된 300rpm에서 정상시 대비 각 고장 모드별 특성을 비교한 결과이다. Fig. 11과 같이 ‘3Phase Short Circuit’의 경우 전동기의 토크는 정상시 대비 약 27% 수준이었으며 ‘2Phase Short Circuit’, ‘1Phase Short Circuit’ 및 ‘Inter Turn Short Circuit’의 순으로 약 39-47%의 수준으로 나타났다.

이와 같이 이중 권선 전동기에서는 하나의 3상 권선에 고장 발생되어 전원이 차단되더라도 정상적인 나머지 하나의 3상 권선에 의해 출력이 발생된다. 비록 blocking torque의 발생으로 정상상태 대비 전동기 토크가 저감되어 운전자에게 요구되는 조향력은 증가되겠지만 조향 보조라는 주요기능을 유지할 수 있어 조향장치의 안전성을 확보할 수 있게 된다.

Fig. 9. Torque-speed performance

Fig. 10. Output power comparison

Fig. 11. Performance comparison at 300rpm