2.1 분석 모델

팬모터에 많이 적용되는 영구자석 동기전동기는 회전자의 타입에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 첫째, 표면부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM)는 회전자의 표면에 영구자석이 부착되는 방식으로, 제어 및 제작이 용이하다는 장점이 있다. 둘째, 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)는 회전자 내부에 영구자석이 매립되어 있어 충격과 고속 환경에서도 영구자석이 비산하지 않는 안정성이 있다. 또한 매입형 전동기는 릴럭턴스 토크를 활용할 수 있어 출력밀도와 효율이 높다. 그러나 코깅 토크와 토크 리플이 상대적으로 큰 단점이 있다. 본 연구에서는 고속에서 동작하는 팬모터의 특성을 고려하여 모터 구동 시 외부에서 들어오는 충격에 강하고 추가적인 릴럭턴스 토크를 얻을 수 있는 매입형 영구자석 전동기를 선정하였다.

표 2는 분석 모델의 제원을 나타낸다. 여기서 확인할 수 있는 바와 같이, 2,400rpm에서 40Nm의 조건을 충족하는 팬모터를 설계하는 것이 본 연구의 목표이며, 이를 통하여 수소전기 버스에 적용 시, 효율적인 열관리를 달성할 수 있다.

2.2 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)

그림 1. 매입형 영구자석 동기전동기

Fig. 1. Interior permanent magnet synchronous motor

그림 1은 매입형 영구자석 동기전동기의 16극 24슬롯 조합과 20극 24슬롯 조합의 형상을 나타낸다. 고정자는 두 모델 모두 동일하게 사용하여 코일의 선경과 턴 수를 모두 동일하게 적용하였다. 또한 회전자의 극 수는 다르지만, 사용되는 영구자석의 총 중량은 동일하게 적용하였다. 수소전기 버스에서 사용되는 팬모터는 60°의 주위온도에서 구동하기 때문에 이를 고려하여 2,400rpm의 동일한 속도에서 무부하 특성과 부하 특성을 통해 두 모델의 성능을 비교하였다.

3.1 무부하 특성

수소연료전지의 안정적인 열관리를 위해서는 높은 내구성이 요구된다. 부하가 걸리지 않은 무부하 상태에서의 성능 분석을 통해 내구성과 관련된 모터의 성능을 평가할 수 있는 항목은 역기전력과 코깅 토크이다. 정현적인 역기전력 형상과 정현파 상전류가 만나면 일정한 회전력이 만들어진다. 따라서 역기전력을 정현적으로 설계하는 항목은 진동을 저감할 수 있기 때문에 매우 중요하다. 코깅 토크 역시 팬모터의 내구성에 영향을 미치는 요소이다. 영구자석을 포함하는 회전자가 회전하면서 공극에서는 자기저항의 변화가 발생한다. 고정자의 치와 공극, 그리고 회전자 영구자석에 의해 발생하는 흡입력과 반발력에 따라서 진동이 발생한다. 이런 이유에서 코깅 토크 저감 역시 팬모터 설계에서 매우 중요한 요소이다. 동일한 상당 턴 수가 주어졌을 때, 20극 24슬롯이 그림 2와 같이 더 정현적인 역기전력 파형을 가지고 있다.

그 이유를 살펴보기 위해 그림 3과 같이 역기전력 파형을 통해 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 진행하였다. 16극 24슬롯은 5차 고조파 성분이 1.85%, 7차 고조파 성분이 0.26%로 높은 5, 7차 고조파 성분을 가지고 있으며, 특히 5차 고조파 성분이 높아 역기전력 파형에 악영향을 준다. 반면, 20극 24슬롯은 5차 고조파 성분이 0.47%, 7차 고조파 성분이 0.18%로 상대적으로 낮아 더 정현적인 파형을 나타내고 있다.

그림 4와 같이 코깅 토크 측면에서도 20극 24슬롯이 16극 24슬롯의 구조보다 우수한 성능을 보인다. 표 1에서, 16극 24슬롯의 경우, 극 수 및 슬롯 수의 최소공배수가 48이고, 이는 회전자가 기계적으로 1바퀴 회전할 때 48번의 코깅 토크 주기를 가진다는 것을 의미한다. 반면 20극 24슬롯은 극 수 및 슬롯 수의 최소공배수가 120으로, 회전자가 한 바퀴 회전할 때 120번의 코깅 토크 주기를 가진다. 동일한 영구자석 중량을 사용하였기 때문에 회전자가 1회전 할 때 가지는 에너지는 두 모델이 유사하지만, 20극의 경우 120번의 코깅 주기로 에너지가 분산되므로 매우 낮은 코깅 토크 특성을 나타낸다.

그림 2. 역기전력

Fig. 2. Back EMF

그림 3. 고조파

Fig. 3. Harmonics

그림 4. 코깅 토크

Fig. 4. Cogging torque

3.2 부하 특성

동일한 전류를 인가했을 때의 부하토크는 그림 5와 같이 20극 24슬롯이 더 높은 값을 나타내고, 토크 리플도 작게 나타난다. 토크 리플은 코깅 토크와 함께 소음과 진동의 원인이 되어 팬모터의 내구성을 저하시키는 원인이 되는 요소이다. 토크 리플의 원인은 코깅 토크, 역기전력 파형의 형상, 철심 자속 포화 정도, 인가 전류의 형상 등 매우 다양하다. 유한요소 분석을 통한 동일한 인가 전류 조건에서 두 구조의 특성을 비교하면 철심의 포화자속밀도는 유사한 수준으로 확인된다. 그러나 앞서 역기전력 분석에서 언급한 20극 24슬롯 구조는 상대적으로 더 정현파에 가까운 파형으로 나타난 것과 같이, 코깅 토크 역시 상대적으로 매우 낮은 수준을 나타낸다. 본 결과는 20극 구조가 16극 구조보다 매우 낮은 토크 리플 특성을 보여주고 있다.

팬 모터의 손실 측면에서 살펴보면, 동손은 각 조합에서 도출된 저항값에 전류의 제곱을 곱하여 계산하였다. 그 결과 16극 24슬롯은 276.17W, 20극 24슬롯은 293.7W로 나타났다. 이는 표 2의 목표 토크인 40Nm을 얻기 위해 16극 24슬롯이 33A의 전류를 인가한 반면, 20극 24슬롯은 1A를 증가시킨 34A의 전류를 인가하여 다소 동손이 늘어나 결과를 보여준다. 철손은 주파수와 밀접한 관계가 있으며, 주파수는 극 수와 회전 속도에 영향을 받는다^[4]. 두 조합 모델 모두 표 2의 회전 속도에서와 같이 2400rpm에서 회전하므로 극 수의 차이에 따라 16극 24슬롯은 627.48W, 20극 24슬롯은 750.96W의 철손을 포함하고 있다. 따라서 동손과 철손 모두 20극 24슬롯이 더 큰 손실을 가지는 것으로 나타난다. 그림 6은 동손과 철손 측면에서 두 구조의 손실 특성을 보여주고 보여준다.

그림 5. 토크 특성

Fig. 5. Characteristic of torque

그림 6. 모터의 손실

Fig. 6. Losses of motor

3.3 방사 방향 힘

그림 7과 8은 두 모델에서의 각 상 권선법 및 이에 따른 방사 방향의 힘을 표현하고 있다. 방사 방향의 힘은 고정자 권선에서 생성하는 기자력에 의해 발생하는 성분으로서 모터의 소음과 진동뿐만 아니라 내구성에도 악영향을 끼친다. 이는 극 수 및 슬롯 수의 최적의 조합으로 저감 할 수 있으며, 극 수 및 슬롯 수의 최대공약수가 짝수 값을 가질 때 방사 방향의 힘이 대칭적으로 분포되어 전자기적 충격을 서로 상쇄시킬 수 있다. 또한 최대공약수가 높으면 높을수록 더 안정적인 특성을 나타내는 반면, 홀수 값일 경우 방사 방향의 힘 파형이 불균일하게 나타나 치우침으로 인해 전자기적 충격이 발생하게 된다.

16극 24슬롯 구조에서는 15° 간격으로, 20극 24슬롯 구조에서는 30° 간격으로 전자기적 충격을 발생시킨다. 방사 방향 힘의 주기는 16극 24슬롯 구조에서는 8주기로 한 번에 8개의 권선에서 기자력이 발생한다. 따라서 16극 24슬롯 구조의 경우 8방향에서 기자력이 회전자에 가해진다. 그리고 20극 24슬롯 구조에서는 4주기로 분포되어 있어 전자기적 충격을 서로 상쇄한다. 안정적인 기자력의 분포 측면에서 보았을 때, 16극 24슬롯 구조가 더 좋은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다^[5].

그림 7. 방사 방향 힘

Fig. 7. Radial force

그림 8. 권선법

Fig. 8. Winding method

3.4 효율

표 3은 유한요소를 통한 분석 결과를 나타낸다. 회전 속도, 토크, 동손 및 철손을 기반으로 효율을 도출하였다. 앞서 손실 비교에서 20극 24슬롯 모델이 상대적으로 역기전력이 낮아서 1A의 부하전류를 더 사용하게 되면서 동손이 높고, 또한 극 수가 16극 모델 대비 많기에 철손 성분이 더 높아서 전체적으로 손실이 더 높게 나왔음을 보여준다. 그 결과, 16극 24슬롯은 92.09%, 20극 24슬롯은 91.29%로 16극 24슬롯의 효율이 더 높은 것을 알 수 있다. 그러나 효율과 더불어 내구성 확보가 중요한 설계 요소가 되는 팬 모터의 성능에 비추어 보았을 때, 코깅 토크와 토크 리플 측면에서 살펴보면 20극 24슬롯 모델이 팬 모터 적용 측면에서 더 나은 선택이 될 수 있음을 확인 할 수 있다.