2.1. 블로어 시스템과 IPMSM 형상 구조

EGR 시스템에 적용되는 블로어 구조는 Fig. 2(a)와 같다. 전단부에는 1단 공력부가 위치하며, 고속 운전을 위한 베어링은 반경방향 지지를 위한 2쌍의 틸팅패드 저널베어링과 축방향 지지를 위한 한 쌍의 틸팅패드 스러스트베어링을 적용한 구조이다. Fig. 2(a)에서 임펠러의 회전력은 동일 축에 장착된 Fig. 2(b)와 같은 IPMSM의 회전력으로부터 축동력을 얻는다. 블로어의 공력 효율 및 시스템 효율을 고려하여 영구자석 동기전동기의 속도는 9,000rpm, 출력은 150kW로 산정하였다.

기존의 SPMSM을 이용하는 경우에 회전자 표면에 부착된 영구자석의 비산을 방지하기 위하여 원형관(sleeve)을 장착하는 등의 단점이 있다. 본 연구에서는 고속 회전 시에 영구자석의 비산을 방지하며, 자기적 릴럭턴스의 변화에 발생 릴럭턴스 토크를 이용하는 Fig. 2(b)와 같은 블로어용 내장형 영구자석 동기전동기를 연구한다.

2.2. IPMSM의 기본 설계 수식

전동기의 기본 치수는 기계적 출력(P_g), 주요 치수(D_r ²L_st), 그리고 전기장하(A_m)와 자기장하(B_m)에 근거한 기계적 출력 식(2)를 통해 선정되었다.

본 연구에서는 자기장하는 0.6-0.8[T]범위로 선정되며, 전기장하는 2.50-4.50A/m 범위를 기준으로 설계하였으며, 인버터 전압한계를 고려하여 치수를 최적화하였다. Table 1은 본 연구의 IPMSM 설계 사양이다.

2.3. IPMSM의 회전자 영구자석 설계

IPMSM은 출력 밀도가 크다는 장점이 있지만 고속 운전 시에는 IPMSM을 구동하는 인버터의 입력단 직류 링크 전압 V_DC는 3상 380V, 60Hz의 전원을 정류한 530V로 설정하였으며, 센서리스(Sensor-less) 방식의 공간 벡터 변조 기법을 적용한다. 회전자의 발열은 회전자 강도를 약화시킬 뿐만 아니라 축계의 팽창으로 임펠러와 커버 사이의 간격을 증가시키며, 이는 EGR 블로어의 효율을 저하한다. 또한, 회전자 영구자석의 온도 상승은 감자 현상을 발생함으로 온도를 고려한 설계 및 특성 해석이 요구된다.

고속 운전 시 발생하는 회전자 발열에 따른 감자 현상을 방지하기 위해, 온도 안정성이 우수한 사마륨코발트(SmCo) 자석을 채택하였다(Fig. 3 참조). SmCo는 NdFeB 대비 온도 상승에 따른 잔류자속 밀도 변화율이 낮아 고온 환경에서 안정적인 구동이 가능하다.

공극자속밀도는 온도에 따라 잔류자속 밀도 B_r과 보자력 H_c로 다음과 같이 보정된다.

이상의 기본 설계 수식을 기초로 본 연구에서 설계된 EGR 블로어용 IPMSM의 주요 설계 치수는 Table 2와 같다. 고정자 외경 265mm, 회전자 외경은 105mm이며, 적층길이는 185mm이다. 공극길이는 1mm, 영구자석 두께는 9.0mm이다.

3.1. 전기적 입출력 방정식

IPMSM은 공간 벡터방식의 PWM 인버터에 의해 전압과 주파수를 변환하여 EGR블로어의 속도와 토크를 제어한다. 회전자의 동기화는 센서리스 방식으로 각상의 역기전력을 추적하여 동기화한다. 전기적 각속도 ω_s로 동기 회전하는 IPMSM의 등가모델의 전압 방정식은 d-q축 좌표변환으로 정상상태에서 다음 식과 같이 쓸 수 있다^[2].

여기서, ω_s는 전기적 각속도, R_a은 고정자 상당 저항, L_d, L_q는 d축과 q축의 인덕턴스, Ψ_m는 영구자석의 쇄교 자속을 나타낸다. 식(5)로 전기적 입력을 계산하면 식(6)과 같이 구할 수 있다.

식(6)과 같이 영구자석의 형상 및 자기회로 파라미터에 의해 결정되는 공극 자속밀도 B_mr은 운전 온도에 따른 잔류자속 밀도의 가역적 변화를 반영하여 식(7)과 같이 보정된다. 이를 통해 고속 운전 시 발생하는 회전자 발열에 의한 출력 특성 변화를 설계 단계에서 정밀하게 해석할 수 있다.

여기서, V_Fe는 고정자와 회전자 코어의 체적, k_h는 히스테리시스 계수, B_m는 최대 자속밀도, f는 주파수, σ은 적층 규소강판 코어의 도전율, d는 규소강판의 두께, k_e는 부가 손실 계수, k_f는 적층코어의 적층 계수이다.

고속 운전하는 IPMSM은 고정자와 회전자 사이에 흐르는 유체의 상대운동에 의해서 풍손(P_wind)이 발생한다. 열로 발생하는 풍손은 고정자와 회전자에서 온도, 압력 밀도, 온도 기울기와 같은 유체 특성과 회전축 속도의 함수로 식(8)와 같이 표현된다^[7].

여기서, C_d는 난류에 대한 표면 마찰계수, ρkg/m³는 유체 밀도, rm은 회전자 반지름, l_stm은 고정자의 길이를 나타낸다. 기계적 손실은 풍손과 마찰 손실을 합한 것으로 식(9)과 같다.

여기서, F는 마찰 손실계수이다. 전기적 입력 대한 손실분을 정리하면 식(10)와 같이 정리된다.

극수 P인 IPMSM에서 발생하는 기계적 출력(P=ω_eT)를 토크 식으로 표현하면 다음 식(11)과 같이 쓸 수 있다.

식(11)의 IPMSM 토크 수식에서 첫 번째 항은 영구자석에 의해 발생하는 PM 토크이고, 두 번째 항은 (L_d-L_q)의 릴럭턴스 차이에 의해 발생하는 릴럭턴스 토크이다.

IPMSM은 q-축 인덕턴스가 d-축 인덕턴스보다 크게 설계한다. 결과적으로 돌극 비(ζ=L_d/L_q)를 증가하면 릴럭턴스 토크분을 이용할 수 있다.

IPMSM의 효율(η)은 식(12)와 같이 전기적 입력에 대한 기계적 출력으로 표현되며, 기계적 출력은 속도와 토크를 측정하여 산정한다. 본 연구에서는 온도 특성 분석은 설계 과정에서 전자기 유한요소법을 이용한 손실 계산과 손실 분리법에 의한 실험 치와 비교, 분석하였다.

3.2. 인버터 구동 IPMSM의 전압, 전류 한계치

인버터 구동 IPMSM에서 일정 토크와 출력 범위는 인버터 출력단의 한계치 전압(V_lim)와 전류(I_lim)로 식(13)과 식(14)의 범위에서 결정된다^[6].

IPMSM의 동기 각속도 ω_s의 한계치는 인버터의 용량에 의해 결정된다. 회전자 d-q 기준 프레임에서 손실을 무시한 정상상태 전압 방정식은 회전 속도 (ω_r=pω_s)의 관계식으로 식(15)와 같이 얻을 수 있다.

식(15)에서 IPMSM을 구동하는 인버터의 입력단 직류 링크 전압 V_DC은 3상 380V, 60Hz의 전원을 정류한 값이며, V_r는 소자 손실 등의 전압감소분, V_rmsab는 인버터 출력단의 선간 전압의 실효치이다.

3.3. IPMSM의 설계 과정

Fig. 4는 EGR 블로어용 영구자석형 동기전동기의 기계요소 부품 및 전자기 구조 설계 순서를 나타낸다. EGR 블로어 시스템에 적용하기 위한 IPMSM의 출력과 속도는 블로어의 유량과 압력 및 임펠러의 효율을 고려하여 출력을 계산한다. 회전자 및 축의 기계 구조 설계는 구조 해석 및 고유진동수, 등의 운전 시의 동특성을 고려한다. 설계 과정에서 전동기의 성능특성은 유한요소법을 이용하여 해석하였으며, 시작기 제작을 통한 출력 및 온도 특성에 대해서 실험값과 비교한다.

4.1. 자기적 특성 해석

IPMSM의 전자기적 특성은 고정자 전류가 흐르지 않는 무여자 조건에서 기초 설계 치수를 바탕으로 최적화된 상세 치수를 도출하였다. Fig. 5(a)는 영구자석의 자기력에 의해 공극(Air-gap)상에서 형성된 자속 밀도 분포(Flux Density Distribution)를 나타낸다. 분석 결과, 공극에서의 평균 자속 밀도는 약 0.6T로 설계 목표치에 부합함을 확인하였다. 9,000rpm 무부하 역기전력 해석 결과(실효치 367V)와 시제품 측정 결과(362.6V)가 매우 유사하게 나타나 설계 모델의 타당성을 확인하였다(Fig. 5(b),(c) 참조).

4.2. 시작기 및 실험장치

본 연구에서는 제안한 설계 프로세스에 따라 Table 2의 사양을 갖춘 EGR 블로어용 IPMSM 시제품을 제작하였다. Fig. 6(a)의 고정자 코어는 외경 265.3mm, 내경 145mm의 제원을 가지며, 슬롯 수는 36개로 구성되었다.

Fig. 6(b)의 회전자 코어는 내부에 영구자석을 삽입하는 매입형 구조로, 4극의 분할형 영구자석을 적용하여 제작하였다. 회전자의 외경은 143mm, 내경은 70mm이며, 축과의 결합 부위에는 누설 자속을 방지하기 위해 비자성체인 스테인리스강(Stainless Steel) 소재의 축을 조립하였다. Fig. 6(c)는 제작된 IPMSM의 성능 검증을 위한 EGR 블로어 시스템 실험 장치의 전경을 나타낸다.

4.3. 시작기의 성능 특성

Fig. 7은 EGR 블로어 시스템 구동용 인버터의 출력 전압 및 전류 파형을 나타낸다. 기준 속도 9,000rpm에서 정격 출력 150kW로 운전 시, 인버터 출력단(전동기 입력 단자)에 공급되는 선간 전압(Line-to-Line Voltage)은 황색 파형으로 표시된 바와 같이 실효치(RMS) 410V의 PWM 구형파 형태를 띤다. 이때 전류는 적색 파형으로 나타나며, 실효치 264.5A, 주파수 300Hz로 안정적으로 공급되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 기준 속도 9,000rpm에서 부하 토크 변화에 따른 IPMSM의 성능 특성 곡선을 나타낸다. 무부하 상태부터 최대 토크인 160Nm까지 부하를 가변했을 때의 전압, 전류, 입·출력 전력, 효율 및 역률의 변화 추이를 분석하였다.

부하가 증가함에 따라 전동기의 입력 전압이 점진적으로 감소하는 경향을 보이는데, 이는 고정자 권선의 임피던스에 의한 전압 강하(Voltage Drop) 현상에 기인한다. 시험 결과, 주요 성능 지표인 효율과 역률 모두 96% 이상의 수치를 기록하였으며, 이를 통해 개발된 전동기가 설계 사양 및 목표 성능을 충분히 충족함을 확인하였다.

Fig. 9는 무부하 운전 시 회전 속도 변화에 따른 기계적 손실 특성을 나타낸 곡선으로, 풍손(Windage Loss), 베어링 손실(Bearing Loss) 및 표유 부하 손실(Stray Load Loss)의 합산치를 보여준다. 측정 결과, 기준 속도인 9,000rpm에서 약 2,750W의 손실이 발생하였으며, 운전 속도가 증가함에 따라 무부하 기계손이 증가하는 경향을 확인하였다.

Fig. 10은 동작 온도 변화에 따른 영구자석형 전동기의 감자 특성(Demagnetization Characteristics)을 해석한 결과이다. 본 연구에 사용된 사마륨코발트(SmCo) 자석의 허용 온도는 300℃ 이상이나, 권선의 절연 등급 및 열적 한계를 고려하여 고속 IPMSM의 최대 온도 상승 한도를 150℃로 설정하였다. 온도 특성 해석은 정격 부하 상태에서 영구자석의 온도를 25℃에서 150℃까지 단계적으로 상승시키며 감자 발생 여부를 고찰하였다. 해석 결과, 최대 제한 온도인 150℃에서도 정격 토크 150Nm가 안정적으로 유지됨을 확인하였으며, 이를 통해 고온 운전 영역에서도 영구자석의 가역적 또는 비가역적 감자 현상 없이 안정적인 구동이 가능함을 입증하였다.

Table 3은 정격 출력 조건에서 열 해석을 수행하기 위해 산출된 전동기 부위별 손실 데이터를 나타낸다. 기준 속도 및 정격 부하 운전 상태의 IPMSM 시제품을 전자기 유한요소법(FEM)으로 분석하였으며, 손실 성분은 고정자 및 회전자 철손(Core Loss), 고정자 권선 손실(Copper Loss), 풍손 및 기계손 등으로 세분화하여 분리하였다. Table 3에서 해석치와 실측치 사이에 차이가 발생하는 원인은 입력 전압의 파형 특성 차이에 기인한다. 수치 해석 시에는 이상적인 정현파(Sinusoidal wave) 전압을 입력원으로 사용하였으나, 실제 실험에서는 인버터의 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭 전압이 인가됨에 따라 고조파 성분이 포함되어 전류 실효값 및 손실량에 차이가 발생한 것으로 분석된다.

Fig. 11은 Table 3의 손실 분리법을 적용한 시제품의 열 해석 결과에 따른 온도 분포 및 실험결과이다. Fig. 11(a)는 IPMSM의 축 방향 단면 온도 분포를 보여주며, 고정자는 122.6℃, 회전자 코어는 127.7℃, 그리고 회전자 축은 119.1℃의 분포를 나타낸다. Fig. 11(b)는 고정자 권선이 권선된 슬롯 내부의 온도 분포를 나타낸 결과로, 권선의 최고 온도는 82.9℃로 분석되었다. 이는 절연 계급에 따른 허용 온도 범위 내에서 시스템이 안정적으로 동작함을 시사한다. Fig. 11(c)는 정격 부하 운전 시 IPMSM의 내부 온도를 측정한 열 포화 곡선(Thermal Saturation Curve)이다. 냉각 방식은 수냉식을 적용하였으며, 냉각수 입구조건은 온도 20℃, 유량 18L/min이다. 실험 결과 기동 후 약 2시간 30분이 경과한 시점부터 온도 평형 상태(포화)에 도달함을 확인하였다. 이때 고정자 권선 내부의 온도는 약 79℃로 유지되어 우수한 냉각 성능을 보였으며, 영구자석의 온도는 65℃로 측정되어 열에 의한 감자 우려 없이 안전하게 동작함을 입증하였다.

Fig. 12는 인버터 출력 전압 375V, 주파수 300Hz를 IPMSM에 인가한 상태에서, 무부하 토크부터 최대 토크 225Nm까지의 기준 속도(9,000rpm) 작동 성능을 분석한 결과이다. 실험 결과, 기준 속도 구동 시 전동기 입력 전압은 약 375V로 유지되었으나, 정격 부하 토크인 160Nm를 초과하면서 부하 증가에 따른 미세한 전압 강하와 전류 상승이 관찰되었다. 이는 정격 부하 이상에서 발생하는 자기적 비선형성에 의한 국부적 자기포화 현상에 기인한 것으로 판단된다. 이 과정에서 효율은 최대치인 97% 대비 소폭 감소하는 경향을 보였다.

결과적으로, 개발된 전동기는 EGR 블로어 시스템의 요구 사양인 최대 토크 225Nm 및 최대 출력 225kW의 단속 부하(Intermittent Load) 조건을 충분히 만족함을 확인하였다. 단 정격속도를 초과한 9,000~12,500rpm의 속도영역은 EGR 블로어 시스템에서 사용하지는 않으나, 선박부품의 25% 초과속도 규정에 근거한 목표치로 영구자석의 비산 등의 기계적인 강도에 문제없음을 확인하였다.