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차량 구동용 매입형 영구자석 동기전동기의 인덕턴스 변화를 고려한 NdFeB 자석 온도 추정

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Authors

정현삼

Advisor
설승기
Major
공과대학 전기·정보공학부
Issue Date
2019-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2019. 2. 설승기.
Abstract
본 논문에서는 전기적 모델을 사용하여 전기자동차 구동용 매입형 영구자석 전동기의 자석 온도를 추정하는 방법을 제안한다. 본 논문에서 제안된 방법은 중고속 운전 영역에서는 인덕턴스 변화를 고려한 기본파 무효 에너지 정보를 이용하여 자석 온도를 추정하고, 저속과 정지상태에서는 고주파 인덕턴스 정보를 사용하여 자석 온도를 추정한다. 제안된 방법들은 자석 온도를 직접 측정할 수 있는 축소 모델과 상용 전기자동차 구동용 견인 전동기에서 검증된다.



중고속 영역 운전에 적용되는 제안된 방법에서는, 회전 속도와 고정자 권선 온도에 의한 고정자 권선 저항의 변화가 근원적으로 제거된다. 따라서 권선 온도 측정을 위한 추가적인 온도 센서가 필요 없다. 또한 자석 온도에 따른 인덕턴스 변화와 자석의 쇄교 자속 변화를 동시에 사용하여 온도 추정의 정확도를 증진시키다. 인버터 비선형성의 영향도 최소화될 수 있다. 축소 모델 전동기에 대한 실험에서는 인버터의 비선형성 보상 유무에 따라서 추정된 자석의 온도가 MTPA 조건에서 0.7 oC 변하며, 실제 견인 전동기에 대한 실험의 경우 전류각 80 o 조건에서 인버터 비선형성의 보상 유무와 상관 없이 일정한 자석 온도를 추정하였다. 제안된 방법을 사용하여 중고속 운전 영역에서 자석의 온도를 추정할 경우, 축소 모델의 경우 자석 온도가 32 oC~78 oC의 범위에서 최대 추정 오차는 3.7 oC이고 견인용 전동기의 경우 시험한 자석 온도 범위, 23 oC~81 oC에서 최대 추정 오차는 5 oC임을 확인하였다.



저속과 정지상태에서 적용되는 제안된 방법은 고주파 인덕턴스를 사용하기 때문에, 권선의 온도와 회전 속도에 의해서 변하는 권선 저항의 변화의 영향을 받지 않는다. 또한 주입 주파수를 높일 수 있기 때문에, 정현파 주입과 구형파 주입 모두 가능하다. 제안된 방법은 축소 모델과 견인용 전동기에 적용되어 검증되었다. 축소 모델 전동기를 대상으로 한 시험의 경우 500 Hz 정현파를 주입하였을 때 저속과 정지상태에서 최대 추정 오차가 측정된 자석 온도 범위 22 oC~80 oC에서 각각 2.9 oC, 5 oC로 발생한다. 견인용 전동기의 경우 저속에서 2.5 kHz의 구형파를 주입하였을 때, 5 oC미만의 오차가 발생한다. 견인용 전동기의 정지상태에서 온도 추정을 위해 600 Hz의 정현파가 주입되었을 때, 4 oC 미만의 오차가 발생한다.



이상의 결과를 통하여 제안된 방법들이 정지 상태를 포함하는 자동차용 견인 전동기 운전의 전영역에서 NdFeB 자석의 온도를 비교적 정확하게 추정함을 검증하였다.
In this paper, the magnet temperature of interior permanent magnet synchronous machine, IPMSM, for electric vehicle traction drive, is estimated by exploiting an electrical model of IPMSM. It has been proposed that the temperature can be estimated by fundamental of reactive energy in consideration of inductance variation at high or medium operating speed and by high frequency inductance at low speed or standstill. The proposed methods have been verified through experimental tests with two motors, the small scaled motor, whose magnet temperature is directly measured by temperature sensors, and a commercial traction motor for EV.



In the proposed method at high or medium speed, stator resistance variations due to rotating speed and winding temperature are thoroughly decoupled through the concept of the reactive energy. It means that additional temperature sensors to decouple the variations are not required in the proposed method. Furthermore, accuracy of the temperature estimation is improved in consideration of not only variation of the magnet flux linkage but also that of inductance. Temperature estimation error from an inverter nonlinearity is also minimized. In the experimental results with the small scaled machine, the estimated magnet temperature varies by 0.7 oC according to whether the inverter nonlinearity is compensated or not. In the experimental results with the traction machine at a current angle, 80 o, the estimated temperature is not affected by whether the inverter nonlinearity is compensated or not. When the magnet temperature is estimated by using the proposed method in medium and high speed range, the maximum estimation error in the small scale machine is about 3.7 oC in the measured magnet temperature range from 32 oC to 78 oC and the maximum error in the traction motor is about 5 oC in the range 23 oC to 81 oC.



The proposed method at low speed or standstill is neither affected by the variations of stator resistance, because the high frequency inductance is utilized to estimate the magnet temperature. And, the injection frequency can be increased in the proposed method. Therefore, a square wave signal can be injected instead of a sinusoidal signal. This proposed method was also verified in two experimental sets. When the 500 Hz sinusoidal signal is injected at d-axis of the small scaled motor, the maximum errors at low speed and standstill are 2.9 oC and 5 oC in the measured magnet temperature range from 22 oC to 80 oC, respectively. When the 2.5 kHz square wave is injected at d-axis of the traction motor in low speed, the estimation error is less than 5 oC. When the 600 Hz sinusoidal wave is injected at d-axis of the traction motor in stand still, the estimation error is less than 4 oC.



Through these experimental results, it has been verified that the proposed methods would accurately estimate the magnet temperature in all operation range of traction motor including standstill.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/151873
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