Interior Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSMs) can provide high efficiency and power density and mainly applied to home appliances (i.e., electric fan and washer) and industrial applications (i.e., electric vehicle/hybrid electric vehicle and generator) as a high-performance electric motor. Since IPMSMs have torque ripple issues, many studies attempt to solve this issue. The torque ripple causes acoustic noise, mechanical vibration, and instability of control. Although torque ripple is generally reduced using either structural shape optimization of the motor or control of current harmonics, the reduction of torque ripple reaches the limit. Therefore, the objective of this research is minimizing the torque ripple considering both structural shape of the motor and control of current harmonics. In this study, the design variables for optimizing the structural shape of the motor (i.e., tooth of stator, length of air barrier and permanent magnet, notch, and angle between permanent magnets), and fifth- and seventh- order current harmonics are chosen for minimizing the torque ripple. In order to consider magnetic saturation, the common finite element method software (i.e., ANSYS MAXWELL) is employed and the performance of electric motor is analyzed. Furthermore, the circuit design and analysis software (i.e., SIMPLORER) and the tool for designing the gate driver and current controller (i.e., MATLAB SIMULINK) are employed simultaneously to consider the real impact occurring in the industrial field (i.e., nonlinearity of Pulse Width Modulation (PWM) inverter). After the optimization process, the post processing is conducted. As a result, our findings confirm that the optimized motor can maintain the average torque and minimize the torque ripple at rated speed and maximum speed. Furthermore, since the performance of the optimized motor is analyzed using the co-simulation system, the torque waveform is extracted by reflecting the real impact of nonlinearity of PWM inverter and PID controller.
매입형 영구자석 동기전동기는 고효율 및 고출력이 가능하여 고성능 전기모터로써 가정용 제품 (예: 선풍기, 세탁기)와 산업용 제품(예: 전기 자동차 및 하이브리드 자동차, 발전기)에 주로 사용되고 있다. 매입형 영구자석 동기전동기는 토크 리플 문제가 있어 이를 해결하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 토크 리플은 음향 잡음, 차량 진동, 제어 불안정성 문제를 야기한다. 일반적으로 전기모터의 구조 형상 최적화 혹은 전류 고조파 제어만 이용하여 토크 리플을 감소하는데 이때는 한계가 있다. 그래서 본 연구의 목표는 전기모터의 구조 형상 최적화와 전류 고조파 제어를 동시에 고려하여 토크 리플을 최소화시키는 것이다. 본 연구에서, 토크 리플을 최소화하기 위해 구조 형상을 최적화하기 위한 변수(예: 고정자 치, 배리어 길이, 영구자석 길이, 노치, 영구자석 간의 각도)와 전류 고조파의 5차, 7차 성분을 변수로 선정하였다. 자기 포화를 고려하기 위해 상용 유한요소 소프트웨어인 ANSYS MAXWELL을 이용하여 전기모터의 성능을 해석하였다. 또한, PWM 인버터에 의한 비선형성을 고려하기 위해 회로 설계 및 해석 소프트웨어인 SIMPLORER와 게이트 드라이버와 전류 제어를 위한 MATLAB SIMULINK를 연동하여 후 처리를 수행하였다. 따라서, 정격 속도와 최대 속도에서 평균 토크는 유지하면서 토크 리플을 최소화시켜주는 최적화된 전기모터를 설계하였고 최적화된 모터의 전류 고조파 제어에 대한 가이드 라인을 제시하였다. 또한, 현실 상황을 반영한 연동 해석을 이용하여 성능을 해석하였다.
