전기 자동차 인 휠 시스템용 축 방향 자속 영구 자석 전동기 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 전기 자동차용 인 휠 시스템을 위한 축 방향 자속 영구 자석(Axial-flux permanent-magnet) 전동기의 최적 설계에 소요되는 총 해석 시간을 최소화 하기 위해 개선된 상대 퍼미언스 함수(Relative permeance function)를 적용한 FRM(Field reconstruction method) 해석 기법을 제안하였다. 제안된 해석 기법과 멀티 모달(Multimodal) 최적화 알고리즘을 이용하여 축 방향 자속 영구 자석 전동기의 최적 설계를 수행하였고 기제작된 전동기의 실험 결과를 토대로 해석 및 설계 방법의 정확성을 검증하였다. 먼저 FRM 해석 기법은 전동기의 구조적인 주기성을 이용하여 최소한의 유한 요소 해석 수로 전동기 특성을 계산하는 방법이다. 특히 축 방향 자속 영구 자석 전동기는 동작 특성 해석을 위해 3차원 유한요소법이 사용되므로 FRM 해석 기법을 이용하면 해석 시간을 획기적으로 줄일 수 있다. 그러나 기존 FRM 해석 기법은 슬롯 피치만큼의 회전각에 대해 3차원 유한 요소 해석 수가 필요하고 그에 따라 전동기 최적 설계에 필요한 해석 시간은 여전히 높은 수준이다. 본 논문에서는 상대 퍼미언스 함수를 적용한 FRM 해석 기법을 제안함으로써 기존 FRM 해석 기법보다 더 적은 유한 요소 해석 횟수로 전동기 동작 특성을 해석하였다. 이 뿐만 아니라 제안된 상대 퍼미언스 함수는 기존에 고려하지 못했던 극 반전 구간에서의 자속 밀도 왜곡 현상을 고려하여 기존 상대 퍼미언스 함수를 적용한 FRM 해석보다 더 정확하게 전동기 성능을 계산할 수 있다. 다음으로 인 휠 시스템용 축 방향 자속 영구 자석 전동기의 다양한 요구 조건을 만족하는 최적 설계안을 효과적으로 찾기 위해 본 논문에서는 대리 모델을 이용한 멀티 모달 최적화 알고리즘을 개발하였다. 이 때 대리 모델은 크리깅 기법을 이용하여 구현되었으며 기존 크리깅 기법의 메모리 문제를 해결하기 위해 하위 구역 분할(Sub-region segmentation) 기법 및 개선된 샘플링 기법을 개발하였다. 개선된 최적화 알고리즘은 먼저 다양한 테스트 함수를 통해 검증되었고 최종적으로 축 방향 자속 영구 자석 전동기 최적 설계에 적용되었다. 최적 설계를 통해 전동기의 최대 토크와 최대 출력을 최대화 하고 토크 리플 및 코깅 토크를 최소화하는 최적 설계안을 도출하였다. 마지막으로 본 논문에서 제안된 해석 및 설계 방법을 검증하기 위해 기제작된 시험용 전동기의 다양한 운전점에서의 실험 결과를 해석 결과와 비교하였다. 결과적으로 본 논문에서 제안된 해석 기법과 최적 설계 기법을 통해 기존 인 휠 시스템용 축 방향 자속 영구 자석 전동기 설계 시에 문제가 되어 왔던 해석 시간과 설계 시간을 개선하고자 하였고 그에 대한 검증을 통해 제안된 기법이 실제 전동기 설계에 유용함을 확인하였다.