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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 75, No. 5, p.1217-1225

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 25 Feb. 2026Revised : 23 Mar. 2026Accepted : 31 Mar. 2026

DOI :

10.5370/KIEE.2026.75.5.1217

전기자동차 워터펌프용 영구자석 동기모터의 소형화를 위한 IPMSM/SPMSM의 극슬롯 조합 비교

Comparison of pole-slot combinations of IPMSM/SPMSM for miniaturization of permanent magnet synchronous motors for electric vehicle water pumps

박수진 (Su-Jin Park) ¹iD 이현태 (Hyun-Tae Lee) ²iD 최윤진 (Yun-Jin Choi) ²iD 한재영 (Jaeyoung Han) ³iD 박현종 (Hyun-Jong Park) ^†iD

(Dept. of Smart Mobility Engineering, Kongju National University, Republic of Korea. E-mail : a20250300@smail.kongju.ac.kr)
(R&D Center, Coavis Co., Ltd. Republic of Korea. E-mail : hyuntae.lee@coavis.com, yunjin.choi@coavis.com )
(Dept. of Future Automotive Engineering, Kongju National University, Republic of Korea. E-mail : hjyt11@kongju.ac.kr)

^† Corresponding Author : Dept. of Future Automotive Engineering, Kongju National University, Republic of Korea. E-mail : phj@kongju.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

This paper presents a comparative analysis of interior permanent magnet synchronous motors (IPMSM) and surface permanent magnet synchronous motors (SPMSM) with different pole-slot combinations for downsizing electric vehicle (EV) water pump motors. In electric vehicle thermal management systems, water pump motors are required to deliver sufficient flow rate and pressure within limited installation space, necessitating compact and efficient motor designs. Three compact motor models were designed by reducing the stator outer diameter from 70 mm to 58 mm, and the winding turns of each model were adjusted to satisfy identical rated output and permanent magnet usage conditions. The electromagnetic performances of SPMSM and IPMSM models were analyzed under these conditions. Two-dimensional finite element analysis was employed to evaluate torque characteristics, cogging torque, back-electromotive force, and magnetic flux density distributions. The analysis results show that the SPMSM structure exhibits increased cogging torque and torque ripple due to the reduction in pole arc angle to satisfy the identical magnet cross-sectional area condition. The IPMSM with an 8-pole 12-slot configuration provides the lowest back-EMF, ensuring sufficient voltage margin, but exhibits relatively high torque ripple due to the reduced rotor outer diameter. In contrast, the IPMSM with a 4-pole 6-slot configuration exhibits the lowest torque ripple and cogging torque among the compared models, while also showing balanced characteristics in terms of back-EMF and efficiency. The results demonstrate that the IPMSM with a 4-pole 6-slot configuration is the most suitable pole-slot combination for the compact design of EV water pump motors.

Key Words

Electric Vehicle, Water Pump Motor, IPMSM, SPMSM, Pole-Slot Combination, Finite Element Analysis

1. 서 론

최근 전기자동차의 이용량이 증가하면서 실제 주행 환경에서의 열관리 문제가 중요한 기술적 과제로 부각되고 있다^[1]. 배터리 및 전력 계통의 온도를 제어하는 열관리 시스템은 차량의 안정적인 동작과 수명 연장을 위한 필수 요소로 인식되고 있으며, 냉각 기능이 통합된 통합 열관리 모듈(Integrated Coolant Module, ICM)의 적용 중요성이 증대되고 있다^[1- ^3]. 전기자동차의 열관리 시스템에는 배터리, 인버터 및 구동 모터의 온도를 제어하기 위해 워터펌프가 필수적으로 적용되며, 해당 시스템에는 소형화 및 고효율을 동시에 만족하는 모터가 요구된다^[2- ^3]. 워터펌프용 모터는 제한된 설치 공간 내에서 충분한 토크를 확보해야 하며, 동시에 높은 효율 및 신뢰성을 만족해야 하므로, 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)가 주로 사용된다^[4- ^5]. 일반적으로 표면부착형 영구자석 동기모터(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)가 워터펌프 구동용으로 널리 채택되고 있으며, 구조가 단순하고 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다^[4- ^5]. 그러나, 영구자석 보호를 위한 슬리브가 필요하며, 이로 인해 공극 길이가 증가하는 구조적 특성을 가진다^[6- ^7]. 이는 자속 밀도 저하 및 토크 성능 감소를 초래할 수 있으며, 소형화 설계에 제약 요인으로 작용한다^[7- ^9]. 반면 매입형 영구자석 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 영구자석이 회전자 내부에 매입되어 있어 별도의 슬리브가 불필요하며, 상대적으로 작은 공극을 구현할 수 있다. 또한 릴럭턴스 토크를 활용하여 토크 밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다^[8- ^9].

본 논문에서는 전기자동차 워터펌프용 모터의 소형화 및 성능 향상을 위한 구조 비교 연구를 수행한다. 기준 모델은 구조가 단순하고 제어가 용이한 SPMSM으로 선정하였으며, 집중권 방식의 극-슬롯 조합 중 권선 계수가 높고 제조가 용이하여 소형 모터에 널리 적용되는 4극-6슬롯 구조를 기준 극-슬롯 조합으로 설정하였다^[9- ^12]. 소형화된 외형 치수 내에서 동일 정격 출력 및 동일 자석 체적 조건을 만족하도록 각 구조의 턴수를 조정하여 SPMSM 4극-6슬롯, IPMSM 4극-6슬롯 및 IPMSM 8극-12슬롯 구조를 설계하고 성능을 비교 분석하였다. 특히 SPMSM과 IPMSM의 구조적 차이로 인한 공극 길이 차이가 모터 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 각 구조에 대해 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하여 토크 특성, 효율, 자속 분포 및 손실 특성을 비교하였으며, 이를 통해 구조별 소형화 설계의 타당성을 검증하였다.

2. 워터펌프용 모터 설계 및 해석 방법

전기자동차 열관리 시스템에 적용되는 워터펌프는 배터리, 인버터 및 구동 모터의 냉각을 담당하며, 제한된 설치 공간 내에서 충분한 유량과 압력을 안정적으로 제공해야 한다. 이에 따라 워터펌프 구동용 모터는 소형화가 요구되며, 동시에 높은 효율과 신뢰성을 만족해야 한다. 본 논문에서는 전기자동차 워터펌프용 모터로 적용되는 영구자석 동기모터를 대상으로 하였으며, 소형화된 외형 치수 및 동일 자석 체적 조건에서 구조에 따른 성능 차이를 비교 분석하였다. 비교 기준 모델은 구조가 단순하고 제어가 용이한 SPMSM 4극-6슬롯 구조로 선정하였으며, 이를 기반으로 IPMSM 구조와의 성능 비교를 수행하였다. 모터의 회전 속도 및 운전 조건은 상용 전기자동차 워터펌프의 운전 사양을 기반으로 설정하였으며, 상세 사양 및 구조는 그림 1 및 표 1에 나타내었다.

그림 1. 기준 SPMSM 모델 구조도

Fig. 1. Structure of the baseline SPMSM model

표 1. 전기자동차 워터펌프용 기준 SPMSM의 주요 사양

Table 1. Specifications of the baseline SPMSM for EV water pump

항목	SPMSM (Baseline)	단위
모터 타입	SPMSM	-
극/슬롯	4/6	-
고정자 외경	70	mm
회전자 외경	25	mm
적층 길이	10	mm
공극 길이	2	mm
자석 극호각	76.2	°
자석 두께	2.5	mm
DC 링크 전압	12	V
정격 출력	68.1	W
정격 전류	7.42	A$_{\text{rms}}$
정격 속도	5 000	RPM
정격 토크	0.13	N·m

2.1 전기자동차 워터펌프용 모터 설계 조건

본 논문에서는 전기자동차 워터펌프용 모터의 소형화 가능성을 검토하기 위해 고정자 외경을 70 mm에서 58 mm로 축소하여 체적을 약 30 % 감소시킨 세 가지 소형화 모델을 설계하고 성능을 비교하였다. 소형화 모델은 SPMSM 4극-6슬롯 구조, IPMSM 4극-6슬롯 및 IPMSM 8극-12슬롯 구조로 구성하였다. 각 소형화 모델은 적층 길이를 기준 모델과 동일하게 10 mm로 유지한 상태에서 고정자 외경만을 축소하였으며, 회전자 구조 및 극-슬롯 조합을 변경하여 설계하였다. 설계 공정성 확보를 위해 세 가지 구조 모두 총 영구자석 단면적을 약 106 mm²로 동일하게 설정하였다. 일반적으로 전동기의 점적률은 약 40~60 % 범위에서 설계되나, 소형 전동기 및 집중권 구조에서는 권선 삽입 공정 및 절연 공간 확보의 제약으로 인해 약 40~45 % 수준으로 적용된다^[13- ^15]. 이를 고려하여 권선 직경 1.2 mm를 기준으로 슬롯 형상에 따라 권선 턴수를 결정하고, 정격 전류를 조정하여 정격 토크 0.13 N·m 및 정격 출력 68.1 W를 만족하도록 설계하였으며, 동일 자석 체적 및 동일 정격 출력 조건에서 각 구조의 전자기 성능 변화를 비교 분석하였다.

2.2 대상 모터 구조 및 극-슬롯 조합

2.2.1 SPMSM 구조 및 공극 특성

SPMSM은 영구자석이 회전자 표면에 부착된 구조로, 구조가 단순하고 제조가 용이하다는 장점을 가진다. 그러나 전기자동차 워터펌프용 모터의 경우 회전자 표면에 부착된 영구자석이 고속 회전 시 원심력에 의해 이탈되는 것을 방지하기 위해 슬리브가 적용된다. 슬리브는 비자성 재질의 보호층이 영구자석을 감싸는 형태로 적용되며 이로 인해 유효 공극 길이가 증가하는 구조적 특성을 가진다. 공극 길이 증가는 자기 회로의 자기저항 증가를 유발하며, 이는 공극 자속 밀도 감소로 이어진다. 자기 회로 이론에 따르면 공극에서의 자속 밀도는 식 (1)과 같다.

(1)

$B_g = \frac{F_m}{R_m \cdot A_g}$

여기서 $B_g$ 는 공극 자속 밀도, $F_m$은 영구자석의 기자력, $R_m$은 자기 회로의 총 자기저항, $A_g$는 공극 면적이다. 슬리브 구조로 인한 공극 증가는 $R_m$의 증가를 의미하며, 결과적으로 $B_g$ 의 감소로 이어져 토크 밀도 저하 및 효율 감소를 유발할 수 있다. 본 논문에서는 기준 SPMSM 모델에 0.5 mm 두께의 스테인리스강 슬리브를 적용한 실제 운용 조건을 반영하였으며, 기계적 공극 1.5 mm에 슬리브 두께를 포함한 실효 공극은 약 2.0 mm로 설정하였다. 반면, 소형화 SPMSM 모델은 외형 축소 및 구조 단순화를 위해 슬리브 두께를 최소화하여 실효 공극을 1.5 mm로 설계하였다. 이러한 공극 차이가 전자기적 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 소형화 SPMSM 모델의 구조는 그림 2에 나타내었다.

그림 2. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 모델 구조도

Fig. 2. Structure of the compact SPMSM 4Pole-6Slot model

2.2.2 IPMSM 구조 및 극-슬롯 조합 특성

IPMSM은 영구자석이 회전자 내부에 매입된 구조로, 영구자석 보호 측면에서 유리하며 슬리브가 요구되지 않는 장점을 가진다. 따라서 기계적 공극과 실효 공극이 동일하게 유지되어 SPMSM 대비 공극 길이를 최소화할 수 있다. 또한 자속 집중 효과 및 릴럭턴스 토크 성분을 활용할 수 있어 소형화 및 고출력 밀도 설계에 적합하다. 릴럭턴스 토크는 d축 및 q축 인덕턴스 차이에 의해 발생하며, 전체 토크는 식 (2)와 같다.

(2)

$T = \frac{3}{2} p [\psi_m i_q + (L_d - L_q) i_d i_q]$

여기서 $p$는 극쌍수, $\psi_m$은 영구자석 쇄교 자속, $i_d, i_q$는 각각 d축 및 q축 전류, $L_d, L_q$는 각각 d축 및 q축 인덕턴스이다. IPMSM의 경우 $L_d < L_q$이므로 릴럭턴스 토크를 활용하여 토크 밀도를 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 IPMSM 4극-6슬롯 및 8극-12슬롯 구조를 비교 대상으로 선정하였다. IPMSM 4극-6슬롯 구조는 SPMSM과 동일한 극-슬롯 조합을 가지므로, 공극 차이 및 자석 배치 방식의 차이가 성능에 미치는 영향을 직접 비교할 수 있다. 직사각형 자석 배치를 통해 자속 집중 효과를 구현하였으며, 실효 공극은 1.0 mm로 설계하였다. IPMSM 8극-12슬롯 구조는 극수 증가를 통한 소형화 및 성능 향상을 목표로 설계하였다. 극수 증가는 코일 피치 감소에 따른 권선 단부 길이 단축 효과를 가져오며, 이는 동손 감소로 이어진다. 또한 슬롯 수 증가에 따른 토크 리플 저감 및 저속 운전 특성 향상이 기대되어 워터펌프용 모터로서의 적용 가능성을 검토하였다. 각 IPMSM 모델은 영구자석 체적을 고려하여 설계하였으며, 동일 외형 치수, 자석 체적 및 정격 출력 조건에서 구조적 차이에 따른 전자기 성능 변화를 비교 분석하였다. 세 가지 구조의 주요 설계 파라미터는 표 2에 정리하였으며, 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 및 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조 모델의 단면도는 그림 3과 그림 4에 나타내었다.

표 2. 전기자동차 워터펌프용 모터 모델의 주요 사양

Table 2. Specifications of the motor models for EV water pump

항목	SPMSM 4P-6S	IPMSM 4P-6S	IPMSM 8P-12S	단위
고정자 외경	58	58	58	mm
회전자 외경	25	25	23	mm
적층 길이	10	10	10	mm
공극 길이	1.5	1.0	1.0	mm
자석 극호각	66	-	-	°
자석 두께	2	2.2	2.46	mm
자석 길이	-	12.05	5.4	mm
자석 단면적	106	106	106	mm²
권선 턴수	23	23	15	turns
DC 링크 전압	12	12	12	V
정격 출력	68.1	68.1	68.1	W
정격 전류	8.20	8.78	10.03	A$_{\text{rms}}$
정격 속도	5 000	5 000	5 000	RPM
정격 토크	0.13	0.13	0.13	N·m

그림 3. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 모델 구조도

Fig. 3. Structure of the compact IPMSM 4Pole-6Slot model

그림 4. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 모델 구조도

Fig. 4. Structure of the compact IPMSM 8Pole-12Slot model

2.3 유한요소해석 모델 및 해석 조건

각 모터 구조에 대한 전자기적 특성 분석을 위해 2차원 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하였다. 해석에는 Ansys Maxwell을 사용하였으며, 과도해석(Transient Analysis)을 통해 토크, 코깅 토크, 역기전력, 자속 밀도 및 손실 특성을 계산하였다. 고정자 및 회전자 철심 재질로는 35JN250 무방향성 전기강판을 적용하였으며, 비선형 B-H 곡선을 적용하여 자속 포화 효과를 고려하였다. 영구자석은 N38SH 등급을 사용하였으며, 잔류자속밀도 1.23 T, 보자력 960 kA/m의 물성값을 적용하였다. 해석 조건은 운전 속도 5 000 RPM에서 수행하였으며, IPMSM의 경우 릴럭턴스 토크를 고려한 Maximum Torque Per Ampere(MTPA) 제어 방식을 적용하였다. SPMSM은 i$_d$=0 제어 방식을 적용하였으며, 각 구조에 대해 동일 정격 출력 조건에서 해석을 수행하여 성능 비교의 공정성을 확보하였다. 토크 특성, 효율, 자속 분포 및 손실 특성을 주요 평가 지표로 선정하였으며, 토크 리플은 $(T_{\max} - T_{\min}) / T_{\text{avg}} \times 100 (\%)$로 정의하였다^[9].

3. 해석 결과 및 성능 비교

3.1 무부하 특성

3.1.1 역기전력 특성

그림 5는 운전 속도 5 000 RPM에서 각 구조의 선간 역기전력 파형을 나타낸 것이다. 기준 SPMSM 구조는 역기전력 실효값이 3.08 V로 측정되었다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 역기전력 실효값이 2.81 V로 감소하였으며, 이는 고정자 외경 축소에 따른 공극 자속 밀도 감소에 기인한 것으로 판단된다. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 역기전력 실효값이 2.54 V로 측정되었으며, 실효 공극이 1.0 mm로 SPMSM 대비 작음에도 불구하고 낮은 역기전력을 보였으며, 이는 자석 배치 형상 및 자속 경로 특성에 따른 것으로 분석된다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 역기전력 실효값이 2.23 V로 비교 대상 모델 중 가장 낮은 값을 나타내었다. 소형화 모델들의 역기전력은 모두 기준 모델 이하의 값을 나타내어 정격 속도 운전 시 충분한 전압 여유를 확보하고 있으며, 안정적인 제어가 가능한 것으로 판단된다.

그림 5. 역기전력 파형 (a)기준 SPMSM (b)소형화 SPMSM 4극-6슬롯 (c)소형화 IPMSM 4극-6슬롯 (d)소형화 IPMSM 8극-12슬롯

Fig. 5. BEMF waveforms (a)Baseline SPMSM (b)Compact SPMSM 4P-6S (c)Compact IPMSM 4P-6S (d)Compact IPMSM 8P-12S

3.1.2 코깅 토크 특성

그림 6은 각 구조의 코깅 토크 파형을 나타낸 것이다. 기준 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 코깅 토크 peak-to-peak 값이 4.30 mN·m로 정격 토크의 약 3.31 %에 해당한다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 코깅 토크 peak-to-peak 값이 11.84 mN·m로 정격 토크의 약 9.11 %에 해당하며, 이는 외형 축소에 따른 공극 감소 및 슬롯 개구부와 자석 간의 상호작용 증가에 기인한 것으로 분석된다. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 코깅 토크 peak-to-peak 값이 2.03 mN·m로 정격 토크의 약 1.56 %에 해당하며, 비교 대상 모델 중 가장 낮은 코깅 토크를 나타내었다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 코깅 토크 peak-to-peak 값이 3.41 mN·m로 정격 토크의 약 2.62 %에 해당하였다. 두 IPMSM 구조는 매입형 자석 구조의 특성으로 인해 SPMSM 구조 대비 낮은 코깅 토크를 나타내어 진동 및 소음 저감 측면에서 유리한 구조임을 확인하였다.

그림 6. 코깅토크 파형 (a)기준 SPMSM (b)소형화 SPMSM 4극-6슬롯 (c)소형화 IPMSM 4극-6슬롯 (d)소형화 IPMSM 8극-12슬롯

Fig. 6. Cogging torque waveforms (a)Baseline SPMSM (b)Compact SPMSM 4P-6S (c)Compact IPMSM 4P-6S (d)Compact IPMSM 8P-12S

3.2 부하 특성

3.2.1 토크 특성

운전 속도 5 000 RPM 조건에서 각 구조의 토크 특성을 비교하였다. 그림 7은 각 구조의 토크 파형을 나타낸 것이다. 기준 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 정격 전류 7.42 Arms 조건에서 평균 토크 0.13 N·m를 나타내었다. 세 가지 소형화 모델은 모두 정격 토크 0.13 N·m를 만족하도록 설계되었으며, 각 모델의 정격 전류는 표 2에 나타낸 바와 같다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 i$_d$=0 제어를 적용하였으며, 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 및 8극-12슬롯 구조는 MTPA 제어에서 최적 베타각 약 10°를 적용하였다. 베타각 10°는 릴럭턴스 토크 기여가 미미한 값으로, 극수 증가에 따른 자속 분포 개선이 토크 향상의 주요 요인으로 분석된다. 토크 리플은 기준 SPMSM 4.12 %, 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 13.48 %, 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 6.63 %, 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 13.08 %로 나타났다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 동일 자석 단면적 조건을 만족하기 위한 극호각 감소로 인해 공극 자속 분포의 고조파 성분이 증가하여 비교 대상 모델 중 토크 리플이 가장 높게 나타났으며, 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 소형화 모델 중 가장 우수한 토크 리플 특성을 나타내었다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 회전자 외경 축소에 따른 회전자 코어의 자속 경로 제한으로 인해 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조 대비 토크 리플이 증가하는 경향을 나타내었다.

그림 7. 토크 파형 (a)기준 SPMSM (b)소형화 SPMSM 4극-6슬롯 (c)소형화 IPMSM 4극-6슬롯 (d)소형화 IPMSM 8극-12슬롯

Fig. 7. Torque waveforms (a)Baseline SPMSM (b)Compact SPMSM 4P-6S (c)Compact IPMSM 4P-6S (d)Compact IPMSM 8P-12S

3.2.2 자속 분포 특성

그림 8은 정격 부하 조건에서 각 구조의 자속 밀도 분포를 나타낸 것이다. 해석에 적용한 비선형 B-H 곡선을 기반으로 자기 포화 여부를 분석하였으며, 고정자 치 및 고정자 요크의 최대 자속 밀도는 모든 구조에서 1.37 T 이하로 자기 포화를 방지할 수 있는 적절한 수준으로 유지되었음을 확인하였다. 고정자 치끝의 경우 기준 SPMSM 구조에서 1.82 T로 가장 높게 나타났으며, 소형화 모델에서는 IPMSM 8극-12슬롯 구조에서 1.50 T로 가장 낮게 나타났다. 회전자 코어의 최대 자속 밀도는 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조에서 1.23 T로 포화 수준 이하를 유지한 반면, 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조에서는 1.73 T, 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조에서는 1.70 T로 측정되었으며, 자석 간 브릿지 부분에서 의도적인 자기 포화가 발생하였다. 이는 자속 누설을 억제하고 공극 자속 밀도를 향상시키기 위한 설계 특성으로 판단된다. 각 구조의 주요 부위별 최대 자속 밀도는 표 3에 나타내었다.

표 3. 전기자동차 워터펌프용 모터 모델의 부위별 최대 자속 밀도

Table 3. Maximum magnetic flux density by region of motor models for EV water pump

항목	기준 SPMSM	SPMSM 4P-6S	IPMSM 4P-6S	IPMSM 8P-12S	단위
고정자 치	1.25	1.37	1.25	1.17	T
고정자 치끝	1.82	1.61	1.81	1.50	T
고정자 요크	1.26	1.19	1.16	1.29	T
회전자 코어	1.33	1.23	1.73	1.70	T

그림 8. 자속밀도 분포 (a)기준 SPMSM (b)소형화 SPMSM 4극-6슬롯 (c)소형화 IPMSM 4극-6슬롯 (d)소형화 IPMSM 8극-12슬롯

Fig. 8. Magnetic flux density(Mag_B) distribution (a)Baseline SPMSM (b)Compact SPMSM 4P-6S (c)Compact IPMSM 4P-6S (d)Compact IPMSM 8P-12S

3.2.3 손실 및 효율 특성 비교

각 구조의 손실 및 효율 특성을 비교하였다. 기준 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 동손 9.83 W, 철손 0.98 W, 와전류손 0.12 W로 총 손실 10.93 W이며, 효율은 86.17 % 로 계산되었다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 동손 10.29 W, 철손 0.80 W, 와전류손 0.10 W로 총 손실 11.19 W를 나타내었으며, 효율은 85.88 %로 계산되었다. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 동손 11.79 W, 철손 0.76 W, 와전류손 0.10 W로 총 손실 12.65 W를 나타내었으며, 효율은 84.33 %로 계산되었다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 동손 12.95 W, 철손 1.50 W, 와전류손 0.38 W로 총 손실 14.83 W이며, 효율은 82.12 %로 계산되었다. 극수 및 슬롯 수 증가에 따라 전기적 주파수가 상승하여 철손 및 와전류손이 증가하는 경향을 나타내었으며, 권선 길이 증가로 인해 동손 또한 증가하여 각 구조의 손실 특성에 차이가 발생하였다.

3.3 종합 성능 평가

워터펌프용 모터의 소형화 가능성을 평가하기 위해 토크 품질, 효율 및 손실 특성을 종합적으로 비교하였다. 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 소형화 모델 중 가장 높은 효율인 85.88 %를 나타내었으나, 코깅 토크 11.84 mN·m 및 토크 리플 13.48 %로 토크 품질 측면에서 불리한 특성을 나타내었다. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 코깅 토크 2.03 mN·m 및 토크 리플 6.63 %로 소형화 모델 중 가장 우수한 토크 품질을 나타내었으며, 효율은 84.33 %로 나타났다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 역기전력 실효값이 2.23 V로 비교 대상 모델 중 가장 낮아 정격 속도 운전 시 충분한 전압 여유를 확보하였으나, 코깅 토크 3.41 mN·m 및 토크 리플 13.08 %로 토크 품질 측면에서 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 대비 불리한 특성을 나타내었다. 종합적으로 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조가 토크 품질이 가장 우수하고 역기전력 및 효율 측면에서도 양호한 특성을 나타내어 전기자동차 워터펌프용 소형 모터에 가장 적합한 극-슬롯 조합으로 판단되며, 각 구조의 주요 성능 지표는 표 4에 나타내었다.

표 4. 전기자동차 워터펌프용 모터 모델의 성능 비교

Table 4. Performance comparison of motor models for EV water pump

항목	기준 SPMSM	SPMSM 4P-6S	IPMSM 4P-6S	IPMSM 8P-12S	단위
역기전력	3.08	2.81	2.54	2.23	V
코깅 토크 (peak-to-peak)	4.30	11.84	2.03	3.41	mN·m
평균 토크	0.13	0.13	0.13	0.13	N·m
토크 리플	4.12	13.48	6.63	13.08	%
동손	9.83	10.29	11.79	12.95	W
철손	0.98	0.80	0.76	1.50	W
와전류손	0.12	0.10	0.10	0.38	W
총 손실	10.93	11.19	12.65	14.83	W
효율	86.17	85.88	84.33	82.12	%

4. 결 론

본 논문에서는 전기자동차 워터펌프용 모터의 소형화 적용 가능성을 검토하기 위해 SPMSM과 IPMSM 구조에 따른 극-슬롯 조합별 성능 비교 연구를 수행하였다. 소형화된 외형 치수 내에서 동일 자석 체적 및 정격 출력 조건을 만족하도록 SPMSM 4극-6슬롯, IPMSM 4극-6슬롯, IPMSM 8극-12슬롯 구조를 설계하고, 유한요소해석을 통해 전자기적 특성을 분석하였다. 해석 결과, 소형화 SPMSM 4극-6슬롯 구조는 동일 자석 단면적 조건을 만족하기 위한 극호각 감소로 인해 공극 자속 분포의 고조파 성분이 증가하여 코깅 토크 및 토크 리플이 증가하는 특성을 나타내었다. 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조는 비교 대상 모델 중 코깅 토크 및 토크 리플이 가장 낮아 우수한 토크 품질을 나타내었으며, 역기전력 및 효율 측면에서도 양호한 특성을 확인하였다. 소형화 IPMSM 8극-12슬롯 구조는 역기전력이 가장 낮아 충분한 전압 여유를 확보하였으나, 회전자 외경 축소에 따른 회전자 코어의 자속 경로 제한으로 인해 소형화 IPMSM 4극-6슬롯 구조 대비 토크 리플이 증가하는 특성을 나타내었다. 이로부터 소형화 모델 중 IPMSM 4극-6슬롯 구조가 전기자동차 워터펌프용 소형 모터에 가장 적합한 극-슬롯 조합임을 확인하였으며, 본 논문의 결과는 제한된 설치 공간을 가지는 워터펌프 응용에서 소형 모터 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 논문은 2025년도 정부(교육부)의 재원으로 한국산업기술진흥원-조기취업형 계약학과 선도대학(원) 육성사업의 지원을 받아 수행된 연구임

References

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저자소개

박수진 (Su-Jin Park)

She received the B.S. degree in Future Automotive Engineering from Kongju National University in 2025 and is currently working toward the M.S. degree in Smart Mobility Engineering at the same university. Her research interests include electric motor design and electromagnetic analysis, pole-slot combination optimization, and thermal management systems for electric vehicles.
Tel : 041-521-9271
E-mail : a20250300@smail.kongju.ac.kr

이현태 (Hyun-Tae Lee)

He received the M.S. degree from the Chungbuk National University, Cheongju, Korea, in 2004. Since 2022, He is a director for Advanced development team in Coavis.
Tel : 044-860-6067
E-mail : hyuntae.lee@coavis.com

최윤진 (Yun-Jin Choi)

He received his master's degree from Chungnam National University in Daejeon in 2010. He is currently conducting research regarding electric vehicle water pump in Coavis.
Tel : 044-861-6262
E-mail : yunjin.choi@coavis.com

한재영 (Jaeyoung Han)

He is an Associate Professor in the Department of Future Automotive Engineering at Kongju National University. Based on his extensive research experience in thermal-fluid analysis and hydrogen energy systems, he systematically analyzes the thermal behavior and operating characteristics of fuel cell systems. His research interests include the quantitative analysis of air supply, cooling flow, and heat diffusion for various hydrogen energy systems, including hydrogen mobility. By linking simulation results with experimental measurement data, he has verified the reliability of model-based analysis and its applicability to systems. His expertise also encompasses energy/exergy-based thermal management for electrification systems.
Tel : 041-521-9272
E-mail : hjyt11@kongju.ac.kr

박현종 (Hyun-Jong Park)

He received his bachelor's degree in Electrical Control Engineering from Hanyang University in Seoul, Republic of Korea in 2009 and his doctorate in Electrical Engineering from the same university in 2016. From December 2015 to August 2023, he worked on the development of the Nuri attitude control system at the Korea Aerospace Research Institute. Since September 2023, he has been working in the Department of Future Automotive Engineering at Kongju National University. His main research area is motor design and control, including motor controller design and algorithm development, motor detailed design and electromagnetic analysis, and motor performance evaluation.
Tel : 041-521-9271
E-mail : phj@kongju.ac.kr

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Comparison of pole-slot combinations of IPMSM/SPMSM for miniaturization of permanent magnet synchronous motors for electric vehicle water pumps

Abstract

Key Words

1. 서 론

2. 워터펌프용 모터 설계 및 해석 방법

2.1 전기자동차 워터펌프용 모터 설계 조건

2.2 대상 모터 구조 및 극-슬롯 조합

2.2.1 SPMSM 구조 및 공극 특성

(1)

2.2.2 IPMSM 구조 및 극-슬롯 조합 특성

(2)

2.3 유한요소해석 모델 및 해석 조건

3. 해석 결과 및 성능 비교

3.1 무부하 특성

3.1.1 역기전력 특성

3.1.2 코깅 토크 특성

3.2 부하 특성

3.2.1 토크 특성

3.2.2 자속 분포 특성

3.2.3 손실 및 효율 특성 비교

3.3 종합 성능 평가

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

박수진 (Su-Jin Park)

이현태 (Hyun-Tae Lee)

최윤진 (Yun-Jin Choi)

한재영 (Jaeyoung Han)

박현종 (Hyun-Jong Park)

Article Information (continued)

Key Words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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Key Words

1. 서 론

2. 워터펌프용 모터 설계 및 해석 방법

2.1 전기자동차 워터펌프용 모터 설계 조건

2.2 대상 모터 구조 및 극-슬롯 조합

2.2.1 SPMSM 구조 및 공극 특성

(1)

2.2.2 IPMSM 구조 및 극-슬롯 조합 특성

(2)

2.3 유한요소해석 모델 및 해석 조건

3. 해석 결과 및 성능 비교

3.1 무부하 특성

3.1.1 역기전력 특성

3.1.2 코깅 토크 특성

3.2 부하 특성

3.2.1 토크 특성

3.2.2 자속 분포 특성

3.2.3 손실 및 효율 특성 비교

3.3 종합 성능 평가

4. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

박수진 (Su-Jin Park)

이현태 (Hyun-Tae Lee)

최윤진 (Yun-Jin Choi)

한재영 (Jaeyoung Han)

박현종 (Hyun-Jong Park)

Article Information (continued)

Key Words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers