매입형 영구자석 전동기의 회전자 설계를 위한 회전자 손실을 고려한 다중 최적 설계 기법

Abstract

본 논문에는 매입형 영구자석 전동기의 운전 특성에 따른 회전자 철손 및 영구자석 와전류 손실을 고려한 설계 기법을 제안하고, 제안한 설계 기법을 토대로 최적 설계를 효율적으로 수행하기 위한 최적화 기법을 제안하였다. 제안된 설계 기법과 최적화 기법을 이용한 최적 설계 결과를 실험 결과와 비교하여 그 타당성을 확인 하였다. 먼저 기존의 매입형 영구자석 전동기의 회전자 설계과정의 문제점을 분석하여 해결 방법을 제안하였다. 매입형 영구자석 전동기의 회전자 철손 및 영구자석 와전류 손실은 영구자석의 감자를 유발 할 수 있기 때문에 운전 특성(Driving Condition)을 고려한 정확한 회전자 철손 및 영구자석 와전류 손실을 구하고 이를 설계에 반영하여야 함을 보이고 이를 적용하여 설계를 진행 하였다. 다음으로 널리 사용되고 있는 결정론적 알고리즘인 심플렉스 기법을 전기기기 최적화 문제에 적용하기 위하여 개선된 심플렉스 기법을 제안하고, 수학적 시험 함수에 기존 심플렉스 기법과 제안한 기법을 적용하여 제안된 최적화 기법의 유효성을 확인하였다. 또한, 개선된 심플렉스 기법과 Kriging을 바탕으로 복잡한 목적함수와 다양한 설계 제한 조건을 가지는 매입형 영구자석 전동기의 최적 설계를 효율적으로 해결 할 수 있는 multimodal 최적화 알고리즘인 KGSM(Kriging combined with Gradient assisted Simplex Method)을 제안하고, KGSM을 이용하여 회전자 손실을 고려한 매입형 영구자석 전동기의 회전자 형상 최적화 설계에 적용하여 전동기의 출력 특성을 최적화 하여 최적 기법의 유효성을 검증하였다. 마지막으로 전동기의 특성 해석 결과를 검증하기 위하여 시험용 전동기를 제작하여 해석 결과와 실험, 비교하여 본 논문에서 제안한 방법의 타당성을 검증하였다.

This paper proposes a rotor design strategy of interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) considering various design constraints. The conventional process in the rotor design only considers the magnitude of the iron loss or the magnet loss while neglecting the loss distributions in the rotor core. This approach results in a design where losses are accumulated on a localized region in the rotor core, especially in the case of IPMSM with a fractional number of slots per pole. This can cause significant irreversible demagnetization of the permanent magnets since the rotor core usually suffers from poor heat transfer. The proposed strategy targets this problem by focusing on the loss distributions according to driving condition. Meanwhile, for the optimization of the multimodal problem, many function calls are required with much consumption of time. To address this problem, this paper proposes a novel hybrid algorithm in which function calls are less than conventional methods. Specifically, the proposed method uses the kriging meta model to find an approximated solution in a whole problem region. To increase the convergence speed in local peaks, a parallel gradient assisted simplex method is proposed and combined with the kriging meta-model. The correctness and usefulness of the proposed hybrid algorithm is verified through the practical optimization of an interior permanent magnet synchronous machine. The proposed methods that are the rotor design strategy of IPMSM and multimodal optimization algorithm has effectiveness in to design IPMSM properly.