오버행 효과를 고려하는 영구자석 전동기의 특성 해석 및 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 오버행 구조가 방사자속 영구자석(radial flux permanent magnet : RFPM) 전동기와 축자속 영구자석(axial flux permanent magnet : AFPM) 전동기의 전자기적 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 아울러, 오버행 구조를 고려하는 기존의 연구들을 검토하고 문제점들을 분석하였으며, 이를 개선하기 위한 방법 및 오버행 구조를 갖는 영구자석 전동기의 최적화 문제에 적합한 새로운 알고리즘을 제안하였다. 먼저, 2차원(two dimensional : 2D) 유한요소법(finite element method : FEM)에서 오버행 구조를 갖는 RFPM 전동기를 해석하기 위한 기존 연구들의 문제점이 제시되었으며, 이를 개선하기 위한 오버행 파라미터(overhang parameter)가 제안되었다. 아울러, 초기 설계 단계에서 오버행 길이를 선정하기 위한 등가 자기모델을 제안하였으며, 제시된 방법으로부터의 결과는 3차원(three dimensional : 3D) FEM 결과와 비교함으로써 해석 기법의 타당성을 확인 하였다. 또한, 오버행 구조를 갖는 표면 부착형 영구자석(surface-mounted permanent magnet : SPM) 전동기에 약자속 제어가 적용될 때, 영구자석의 불가역 감자(irreversible demagnetization)가 발생할 수 있는 문제점을 제시하고, 이를 극복할 수 있는 새로운 오버행 구조가 제안되었다. 한편, AFPM 전동기의 설계 시 사용되어 왔던 quasi-3D FEM이 영구자석에 비해 고정자와 회전자가 돌출(overhang)될 때 적용될 수 없는 문제점을 제시하고, 이를 극복할 수 있는 개선된 quasi-3D FEM을 제안하였다. 또한, RFPM 전동기에 적용되어 왔던 오버행 구조가 AFPM 전동기에 적용될 때 전자기적 특성에 미치는 영향에 대해 살펴 보고 최적의 성능을 발휘할 수 있는 구조가 제시되었다. 마지막으로 여러 개의 국소 최적해를 갖는 복잡한 목적함수와 계산시간이 오래 걸리는 오버행 구조를 갖는 영구자석 전동기의 최적 설계 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 multimodal 최적화 알고리즘이 제안되었다. 본 논문을 통해 제안된 기법의 검증을 위하여 2대의 시험용 전동기를 설계, 제작 및 실험하였다. 다양한 실험 결과로부터 본 연구에서 제시된 방법들의 타당성이 검증 되었으며, 향후 오버행 구조를 갖는 영구자석 전동기의 설계 및 해석에 많은 도움을 주고자 한다.