분수 슬롯 집중권을 가지는 매입형 영구자석 동기 전동기의 인덕턴스 분석 및 수식화

Abstract

최근 10년간 분수 슬롯 집중권(Fractional-Slot Concentrated Winding: FSCW)을 가지는 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor: PMSM)에 대한 관심이 학계와 산업계에서 크게 증가하였다. 분수 슬롯 집중권은 높은 토크 밀도 및 효율, 낮은 코깅 토크, 우수한 제작성 등의 장점을 가지고 있어서 현재까지 활발한 연구가 이루어지고 있으며 적용 분야가 차츰 넓어지는 추세이다. 하지만 전동기의 벡터 제어를 위해 사용되는 기존의 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor: IPMSM)의 모델은 FSCW IPMSM에 적용되지 않는다. 기존의 IPMSM 모델에서는 정현 권선을 가지는 대칭 전동기를 가정하고 전동기의 하나의 극쌍에 대한 공극 자계 분포를 통해 전동기의 전체 모델을 유도하였다. 하지만 FSCW IPMSM은 펄스 형태의 권선을 가지는 비대칭 전동기이므로 상 권선이 자극별로 나누어지지 않기 때문에 기존의 모델을 적용할 수 없다. 뿐만 아니라 기존의 연구에서 모델링한 IPMSM의 퍼미언스 함수가 실제 IPMSM의 공극 자계 분포를 잘 설명하지 못한다는 것을 본 논문에서 발견하였다. 이는 기존의 연구에서 IPMSM의 특징적인 현상인 극편 부유 효과를 고려하지 않았기 때문이다. 본 논문에서는 극편 부유 효과를 통해 복잡한 IPMSM의 공극 자계 분포의 특성을 분석하였다. 그리고 이를 바탕으로 FSCW IPMSM의 인덕턴스를 정확하게 수식화하는 방법을 제안하였다. 이를 위해 우선 전류도체법을 기반으로 단일 도체에 의한 공극 자계 분포를 이용하여 코일 인덕턴스를 수식화하였다. 이후 FSCW의 각 극/슬릇 조합에 따른 권선법을 고려하여 코일 인덕턴스를 상 및 동기 인덕턴스로 변환하여서 수식화를 완성하였다. 또한 제안된 방법을 확장하여서 절대각 센서리스 구동을 위한 전동기를 모델링하여 전동기 설계를 최적화 하였다.