동시 설계

미래형 자동차 경쟁시장에서 자동차용 모터와 모터 드라이브 설계자들의 역할이 갈수록 중요해지고 있다. 이들은 더욱 작고 가벼우며 동시에 보다 높은 출력, 효율을 지닌 모터 시스템을 단기간에, 그리고 보다 저렴하게 만들어내야만 한다.
이같이 다양한 문제를 쉽고 빠르게 풀어내기 위해서는 개발과정의 혁신이 필요하다. 이는 모터 시스템 설계 프로세스 내에서 모터 드라이브와 모터를 함께 개발해야 한다는 것을 의미한다. 개별적인 모터, 드라이브 설계 수행은 결과적으로 모터와 드라이브를 결합했을 때 실패할 확률이 높다. 또한 어느 부분에서 무엇이 잘못됐는지 찾는 것조차 힘들다.
설계자들은 그림 1과 같이 드라이브 설계와 모터 설계를 병행해야만 한다. 모터 시스템 프로세스는 RMxprt와 같은 툴로 Narrow Design Space에 맞는 모터를 설계하면서 Simplorer와 같은 시스템 레벨의 툴과 연계해 드라이브 초기 설계를 함께 실시해야 한다. 이후 Maxwell과 같은 FEA 툴을 이용해 보다 정확한 모터 설계를 하면서 초기 드라이브 회로에 Power/Control 모듈을 추가해 함께 검증한다.
다음 단계에서 ePhysics와 같은 열과 스트레스 해석 툴을 이용해 열적 손실 등을 해석하고 MTPA나 약계자 제어 등을 포함한 드라이브 시스템과의 연동 해석을 실시한다. 그리고 프로토타입을 제작해 테스트함으로써 개발 기간과 개발비용을 절감할 수 있게 된다.

효율 개선 방안

이제 모터의 효율을 향상시키는 방안과 코깅 토크를 줄이는 방법을 설명해 본다. 표 1에서 알 수 있듯이 전자장 측면에서 모터의 효율을 높이기 위해서는 동손과 철손, 그리고 영구자석의 와전류 손실을 줄이는 것이 중요하다.

영구자석의 와전류 손실
첫 번째로 영구자석의 와전류 손실을 고려해야 한다. 그림 2는 Ansoft 툴을 이용해 계산된 영구자석에 유기된 와전류의 벡터 그림이다. 왼쪽 그림은 자석이 길게 하나로 되어 있는 경우이고, 오른쪽 그림은 자석을 정사각형에 가깝도록 작게 자른 경우다. 자석을 쪼개서 배치한 오른쪽의 와전류 손실이 적어짐을 알 수 있다.

그림 3은 자석을 자른 수와 Power Loss와의 관계를 보여준다. 자석을 자르지 않은 경우의 Power Loss를 1 로 보았을 때 자석을 16개로 자르게 되면(그림 4의 오른쪽의 경우) Power Loss가 0.6으로 감소하는 것을 알 수 있다.
Core Loss
모터의 효율을 감소시키는 주요 원인 중 하나는 바로 스테이터(stator)와 로터(rotor)의 철손이다.
철손을 고려할 때에 보통은 하나의 주파수에서의 B-P 커브를 이용해 계산한다. 하지만 인버터에 의해 동작되는 코터의 경우 많은 하모닉 성분들을 고려해야만 한다. Maxwell v12에서는 주파수가 여러 개인 경우, 그림 4와 같이 각 주파수마다 B-P 커브를 인가해 각 주파수에서의 철손 계수값들을 추출한다.

그림 5에서 빨간색 선은 단일 주파수 60 Hz만을 고려했을 때의 철손을 나타내며 초록색 선은 1 kHz의 삼각 고조파가 60 Hz에 더해진 단일 주파수에서의 철손을 나타낸다. 마지막으로 파란색 선은 1 kHz의 고조파가 여러 주파수에 더해졌을 때의 철손을 나타낸다. 그림에서 보듯이, 다중 주파수에서 고조파 성분을 고려해 철손을 계산해야함을 알 수 있다.

그림 6은 다중 주파수와 1 kHz 삼각 고조파가 더해졌을 때 토크가 철손때문에 변하는 것을 보여준다. 따라서 철손 계산을 정확히 하기 위해 인버터 스위칭 주파수에 해당하는 고조파 성분을 고려한 다중 주파수의 철손 계수를 정확하게 구하는 것이 중요하다.

코깅 토크의 최적화

PMSM의 코깅 토크는 기계적인 진동과 소음, 드라이브 시스템의 불안정성, 그리고 토크 리플의 주원인이 되므로 코깅 토크를 가능한한 감소시키는 것이 중요하다.

Maxwell의 옵션인 Optimetrics의 최적화 알고리즘의 하나인 유전자 알고리즘을 이용해 코깅 토크는 감소하면서 공극에서의 자속 밀도는 일정한 값을 유지하는 최적화된 형상과 자석의 최소 볼륨을 구할 수 있다. 이것은 모터 가격에 크게 영향을 미치는 자석 크기를 줄일 수 있어 가격을 낮추는 효과까지 얻을 수 있다.

그림 7은 Pole Embrace가 0.75, Pole Arc Offset은 0 mm, 자석 두께는 3.5 mm인 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)의 형상과 자속 분포도를 보여준다.

그림 8은 처음 설계된 SPMSM의 코깅 토크와 공극에서의 자속밀도 파형을 보여준다.

위의 3가지 자석관련 요소들을 변화시켜가면서 최적의 형상을 얻은 값은 Pole Embrace 0.86, Pole Arc Offset 13.6 mm, 자석 두께 6.5 mm였다. 그림 9는 원 모델과 최적화되었을 때 코깅 토크 값의 차이와 공극에서의 자속밀도 차이를 보여준다. 목적한 바대로 코깅 토크 값은 2.2 Nm에서 0.4 Nm로 감소했고, 공극에서의 자속밀도 값은 0.76 T와 0.73 T로 거의 변화가 없도록 설계되었다.

AEM_Automotive Electronics Magazine