전기자동차 주행거리 확장용 매입형 영구자석 발전기 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 주행거리 확장형 전기자동차(range exteded electric vehicle : REEV)용 발전기 설계를 개념 설계, 상세 설계, 최적 설계로 나누어 설계를 수행하는 단계별 설계 전략을 제안하였고, 시험용 발전기의 제작 및 시험을 통하여 제안한 해석 및 설계 방법의 정확성과 타당성을 검증하였다. 먼저, REEV용 발전기의 고효율, 고출력 요구 조건을 만족시키기 위해 출력밀도와 효율이 높은 매입형 영구자석 발전기(interior permanent magnet synchronous generator : IPMSG)를 발전기의 타입으로 결정하였다. 개념 설계 단계에서는 다양한 설계변수의 영향을 빠르게 검토하여 초기 설계안을 도출하는 것을 목표로 한다. 따라서 자기등가회로(magnetic equivalent circuit : MEC) 방법을 이용한 개념 설계를 수행하였다. 델타 타입 회전자는 역기전력 파형을 정현적으로 만들기 위해 회전자 표면을 의도적으로 포화 시킨다. 본 논문에서는 비선형 MEC 해석 방법을 제안하여 포화현상을 정확하게 해석하였고 다양한 설계변수의 영향을 분석하여 초기 설계안을 도출하였다. 상세 설계 단계에서는 MEC 해석 방법으로 해석하기 어려운 토크 리플, 코깅 토크, 감자, 효율 해석 등을 수행하기 위해 유한요소법(finite element method : FEM)을 이용하였다. REEV용 발전기의 요구 조건에 부합하는 극수 슬롯수 결정 및 무부하, 부하시 설계, 감자 해석을 수행하였고 전기 강판과 자석 재질에 따른 가성비를 분석하여 재질 결정의 타당성을 검증하였다. 최적 설계 단계에서는 제안한 대리모델을 이용한 다중 목적함수 최적화(surrogate assisted multi-objective optimization : SAMOO) 알고리즘을 이용하여 다양한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 최적 설계안을 도출하였다. 제안한 알고리즘은 기존에 널리 사용된 알고리즘과의 비교를 통해 적은 함수호출 횟수만으로도 정확하고 균일한 Pareto front set을 도출할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 제안한 알고리즘을 REEV용 IPMSG 최적설계에 적용하여 토크 크기는 최대화하면서 토크 리플과 자석 사용량을 최소화 할 수 있는 최적설계 안을 도출하였다. 마지막으로, 본 연구에서 제안한 REEV용 IPMSG 해석 및 설계 전략을 검증하기 위하여 시험용 IPMSG를 제작 및 시험하였다. 다양한 발전기 특성 시험을 통해 본 연구에서 제안한 방법들의 정확성과 타당성을 검증하였으며 향후 REEV용 발전기의 설계 및 해석에 많은 도움을 주고자 한다.