1. 서 론

최근 자동차 산업은 화석연료를 사용하여 발생하는 온실가스 감축 및 화석연료의 고갈에 따른 화석연료를 사용한 내연기관 자동차 산업의 비율이 감소하고 있고, 전기자동차 및 친환경 자동차 산업의 비율이 증가하고 있다^(1-3). 이에 따라 전기 자동차의 핵심 부품 중 하나인 구동 전동기의 경량화 및 효율 개선 등, 성능 개선의 필요성이 증가하고 있다^(4-5). 일반적으로 차량 구동용 전동기에 자주 사용되는 전동기는 영구자석 동기전동기(PMSM, permanent magnet synchronous Motor)이다. PMSM은 회전자의 구조에 따라 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM, interior permanent magnet synchronous motor)와 표면 부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM, surface-mounted permanent magnet synchronous motor)로 나뉜다^(6-7). IPMSM은 영구자석이 회전자 내부에 매입 되어 있는 구조를 가진 전동기로, 고속 운전 시 회전자 표면에 영구자석이 부착된 SPMSM 보다 높은 안정성을 가지며, 돌극성으로 인한 자로의 불균형에서 발생하는 릴럭턴스 토크를 이용해 높은 출력을 낼 수 있다^(8-10). 또한 SPMSM에 비해 설계 자유도가 높아 요구 조건에 적합한 다양한 설계가 가능하다는 장점이 있다⁽¹¹⁾. 위와 같은 이유로 전기자동차의 구동 모터로는 IPMSM이 자주 사용된다⁽¹²⁾.

전동기와 같은 회전 기기는 자속의 방향이 상대적으로 균일한 변압기와는 다르게 철심에 흐르는 자속의 경로가 일정하지 않다. 회전자는 자석의 배치에 따라서 자속의 흐름이 바뀌게 되며, 고정자는 회전자의 회전과 순시 인가 전류에 따라 흐르는 자속의 경로가 바뀌게 된다. 무방향성 강판은 이렇게 변화하는 자속 흐름에 영향을 받지 않고 모든 방향에 대해 균일한 자계 특성을 갖는 전기강판이다^(13-14). 이와 반대로, 방향성 강판은 자기적 이방성을 가지고 있어, 압연 방향으로는 뛰어난 자기적 특성을 가지고, 압연 뱡항과 수직인 방향으로는 낮은 자기포화 특성을 가진다는 특징이 있다^(15-18).

본 논문에서는 위와 같은 회전 기기와 방향성 강판의 자기적 특성을 이용하여, 고정자 치에 방향성 강판을 적용한 설계안을 제시하고, 기존 모델인 무방향성 강판으로만 설계를 진행한 IPMSM과의 성능 비교를 통해 본 논문에서 제시한 방향성 강판 적용 모델이 더 우수한 성능을 가지는 것을 확인하였다.

2. EV 구동용 IPMSM

본 논문에서 타겟으로 하는 EV 구동용 IPMSM의 주요 운전점과 요구 조건은 표 1에 명시되어 있다. 타겟 IPMSM의 최대 회전 속도는 15000 RPM이며, 기저속도인 2850 RPM에서 294.8 Nm의 정격 토크, 연속 출력 88 kW, 전압 제한은 176.7 V$_{dc}$, 전류 제한은 553.65 A$_{pk}$이며 냉각 방식은 수냉식으로 목표 사양이 선정되었다.

3. 방향성 강판을 적용한 IPMSM 설계

방향성 강판은 자속이 압연 방향에 평행한 방향으로 흐르는 경우 강한 자기적 특성을 보이고, 압연 방향에 수직인 방향으로 흐르는 경우 약한 자기적 특성을 보이는 강판이다. 무방향성 강판의 경우 자기적 특성이 방향에 무관하게 일정한 자기적 특성을 가진다. 전동기와 같은 회전기기는 자속의 방향이 상대적으로 균일한 변압기와는 다르게 철심에 흐르는 자속의 방향이 일정하지 않다. 전동기의 회전자는 자석의 배치에 따라서 자속의 흐름이 바뀌게 된다. 그리고 고정자는 회전자의 회전과 순시 인가 전류에 따라 흐르는 자속의 경로가 바뀌게 된다. 따라서 자기적 이방성을 가지고 있는 방향성 강판만으로 전동기를 설계하는 경우 더 우수한 성능의 설계가 무조건 가능하다고 보장할 수 없다. 따라서 자속의 방향에 따라 특성이 다른 방향성 강판과 방향에 무관하게 일정한 특성을 보이는 무방향성 강판을 적절히 배치하여 우수한 성능을 지닌 전동기를 설계하였다.

방향성 강판과 무방향성 강판을 적절히 배치하기 위하여, 무방향성 강판으로만 구성된 기존 IPMSM의 회전자 위치에 따른 자속 경로를 그림 4에 나타냈다. 그림 4. (a)는 회전자의 초기 위치(7.5°)일 때의 자속 경로를 나타냈고, 그림 4. (b)는 회전자가 초기 위치에서 22.5°만큼 변위하였을 때의 자속 경로를 나타냈다. 그림 4. (a)와 (b)의 자속 경로를 보면, 회전자 위치에 따라 고정자에서 자속의 흐름이 균일하지 않은 것을 알 수 있다.

또한 고정자 치와 요크 부의 자속 경로의 경향이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 고정자 치는 일정한 자속 경로가 형성되는 반면, 요크 부는 치에서 나오는 자속과 수직 방향으로 퍼지기 때문에 일정하다고 판단할 수 없다. 따라서 고정자에 방향성 강판을 적용할 때, 방향성 강판의 자화 용이 방향 또는 압연방향의 우수한 자속 특성만을 활용하기 위해 고정자의 치에 부분적으로 방향성 강판을 적용하고, 압연 방향과 수직 방향으로 자속 경로가 형성되는 고정자 요크 부는 무방향성 강판을 적용하여 설계하는 것이 본 논문에서 제안하는 방향성 강판을 부분적으로 적용한 IPMSM 모델이다.

방향성 강판을 적용한 IPMSM의 형상은 그림 5에 나타냈다. 본 논문에서 제안하는 방향성 강판을 적용한 IPMSM에 사용된 방향성 강판은 35ZH135이다. 방향성 강판(35ZH135)과 무방향성 강판(35JN230)의 자속 밀도-자계의 세기 특성 곡선(B-H characteristic curve)과 자계 밀도-철손 밀도 특성 곡선(B-W characteristic curve)을 각각 그림 6. (a), (b)에 나타냈다. 두 곡선에서 GO-easy는 방향성 강판의 자속이 압연 방향에 평행한 방향으로 흘러 방향성 강판의 자기적 특성이 우수할 때의 곡선이고, GO-hard는 자속이 압연 방향에 수직인 방향으로 흘러 방향성 강판의 자기적 특성이 좋지 않을 때의 특성 곡선이다. 방향성 강판의 자화 용이방향은 수직방향과 무방향성 강판 대비 우수한 자화 특성을 지니는 것을 알 수 있다. GO-hard는 방향성 강판의 자화 용이방향과 무방향성 강판 대비 열등한 자화 특성을 지니는 것을 알 수 있다.

본 논문에서 사용한 무방향성 강판은 방향성 강판의 자화 용이방향과 수직방향의 중간 특성을 가지며 방향에 상관없이 균일한 특성을 가진다.

그림 6과 같은 특성을 보이는 방향성 강판과 무방향성 강판을 고정자 치에 부분적으로 적용한 제안하는 IPMSM의 설계 제원은 표 2에 나타냈다. 기존 IPMSM의 설계 제원과 비교했을 때 고정자 치의 재질을 제외하고는 모두 같은 값을 사용하였다.

무방향성 강판만을 사용한 기존의 IPMSM과 동일한 조건에서 무부하 해석을 진행했고, 무부하 해석 비교 결과 선간BEMF, 상 BEMF, 코깅 토크, 자속 밀도를 그림 7에 나타냈다. 코깅 토크와 무부하 철손의 감소율이 크게 나타났다. 또한 상 BEMF와 선간 BEMF의 증가에 따라 부하 해석 시 출력 토크 또한 증가할 것으로 예상할 수 있다.

상 BEMF THD의 값은 감소했지만, 선간 BEMF의 THD의 값은 비율을 따졌을 때 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타난다. 하지만 실제 증가 폭 또는 감소 폭을 따졌을 경우 전동기 전체의 성능은 개선된 경향을 보인다.

부하 해석은 기존 IPMSM과 동일한 전류를 인가하고 2850 RPM의 회전속도로 진행하였다. 부하 해석 결과는 그림 8에 나타냈다. 제안하는 모델의 평균 출력 토크는 314.38 Nm로 기존 모델 대비 5.26 % 증가하였다. 단자 전압은 143.25 V$_{dc}$로 기존 모델 부하 해석 시 단자 전압보다 증가했지만 전압 제한을 만족하는 범위다.

부하 시 손실, 출력 및 효율을 살펴보면 철손은 152.87 W에서 88.29 W로 44.25 % 감소하였다. 출력은 89.14 kW에서 93.83 kW로 5.26 % 증가하였고 요구 출력도 만족한다. 전체적인 기존 IPMSM 무부하 해석과 부하 해석 결과와의 상세 비교는 표 3, 4에 나타냈다.

부하 시 전동기 동작 온도를 120°C로 설정하여 기존 IPMSM 모델과 제안하는 IPMSM 모델의 성능을 비교하여 표 5에 나타냈다. 상온에서의 결과보다 동손이 33.65 % 증가하여 전체적인 효율이 감소하였다. 하지만 방향성 강판을 적용하였을때 효율이 상온에서 0.29 % 증가하였고 120°C일 때는 0.4 % 증가하였다.

본 논문에서 제안하는 방향성 강판을 고정자 치에 부분적으로 적용한 결과 기존의 무방향성 강판만을 적용한 IPMSM 모델 대비 토크, 손실 및 출력 측면에서 우수한 성능이 나타난 것을 확인하였다. 기존 모델 대비 제안된 모델의 토크의 값이 5.26 % 증가한 것을 활용하여 전동기의 적층 길이를 저감 하는 추가 개선 설계를 진행할 수 있으며, 이를 통해 전동기의 소형화 및 경량화를 기대할 수 있다. 또한 철손 저감을 통해 열적인 면에서 개선된 전동기 운전을 기대할 수 있다. 본 논문에서 사용한 방향성 강판을 적용함에 따라 기존 전기 자동차에 사용되는 모터의 크기와 무게 등이 자동차 자체에 제한됨으로써 발생하는 문제를 효율적으로 해결할 수 있음을 알 수 있다. 또한 ⁽¹⁹⁾에서 방향성 강판을 부분적으로 적용하여 전동기를 제작하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 논문은 EV용 IPMSM의 토크, 출력, 효율 및 철손 개선을 위해 고정자 치에 방향성 강판을 부분적으로 적용하고, 무방향성 강판으로만 설계를 진행한 기존 IPMSM 모델과 비교를 통해 토크, 출력, 효율 등이 효과적으로 개선됨을 확인하였다. 제안하는 모델은 기존 모델의 자속 경로의 특징과 자속이 압연 방향으로 흐를 때 자기적 특성이 우수한 방향성 강판과 자기적 특성이 자속의 방향과 무관한 무방향성 강판의 자기적 특징을 이용하여 자속 경로가 일정한 고정자의 치에 방향성 강판을 부분적으로 적용하였다. 방향성 강판을 적용하여 해석한 결과 토크, 출력, 효율 및 부하 철손이 각각 5.26 %, 5.26 %, 0.29 %, 42.25 % 개선됨을 확인하였다. 무부하 철손과 코깅 토크 또한 각각 44.93 %, 16.69 % 개선되었다. 기존 모델 토크 대비 증가한 토크를 이용하여 전동기의 적층 길이를 저감하여 자석 사용량을 줄이는 희토류 저감 설계가 가능하고 저감된 적층 길이를 통해 기존 자동차 자체에 의해 제한되었던 전동기의 크기와 무게 등을 전동기의 소형화 및 경량화를 통해 효율적으로 해결할 수 있음을 기대할 수 있다. 또한, 무부하 및 부하 손실 저감으로 인해 발열이 감소한 전동기 운전이 가능하다.