정수 슬롯 분포권 영구자석 동기모터의 치변조 기반 진동 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 정수 슬롯 분포권 영구자석 동기모터(PMSM)의 진동 특성을 슬롯 고조파에 의한 치변조 효과를 고려하여 분석하였다. 기존 연구가 주로 최저차 force order의 영향을 강조한 것과 달리, 본 연구에서는 슬롯 차수 force order가 치변조 효과에 의해 0차 force order로 변조되어 모터 진동에 중요한 영향을 줄 수 있음을 규명하였다. 이를 검증하기 위해 12극 72슬롯 자속집중형 PMSM을 대상으로 전자계 및 모달 해석을 수행하였다. 해석 결과, 정격 조건에서는 2f<sub>e</sub> 성분이 지배적이었으나, 고속 운전 시 (s/p)f<sub>e</sub> 성분이 0 모드 공진 주파수와 일치하여 0차 force order가 진동 특성을 지배하는 현상을 확인하였다. 이러한 결과는 분포권 PMSM의 진동 원인에 대한 새로운 시각을 제시하며, 향후 저소음·저진동 모터 설계를 위해 최저차 성분뿐 아니라 0차 force order까지 함께 고려해야 함을 보여준다.

This study investigates the vibration characteristics of integer-slot distributed winding permanent magnet synchronous motors (PMSMs) by considering the tooth modulation effect of slot harmonics. While conventional analyses mainly emphasize the influence of the lowest-order force components, the proposed approach demonstrates that slot-order force harmonics can be modulated into zeroth-order forces through the tooth modulation effect. To validate this mechanism, electromagnetic and modal analyses were conducted on a 12-pole 72-slot concentrated flux PMSM. The results indicate that under rated operating conditions, vibration is dominated by the 2f<sub>e</sub> component; however, at higher speeds, the (s/p)f<sub>e</sub> component coincides with the zeroth-mode natural frequency, causing the zeroth-order force to dominate the vibration response. These findings reveal a previously overlooked source of vibration in distributed winding PMSMs and highlight the necessity of considering both the lowest-order and zeroth-order forces for low-noise and low-vibration motor design.