영구자석 동기모터 설계를 위한 위상최적화법 :

이재준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이재준 (한국항공대학교, 한국항공대학교 대학원)

지도교수: 김경목

발행연도: 2018

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2022

위상최적화기반 영구자석 동기 전동기 설계 프레임워크

이재준 , 이재욱 대한기계학회 춘추학술대회 2022.11 학술대회자료

위상최적화 기반 고출력밀도 영구자석 동기 전동기 설계

이재준 , 이재욱 대한기계학회 춘추학술대회 2022.05 학술대회자료

2020

토크성능 향상을 위한 할박 영구자석 동기모터 위상최적화

이재준 , 박소현 , 정태훈 외 2명 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2020.11 학술대회자료

2018

영구자석 동기모터 설계를 위한 위상최적화법

이재준 항공우주및기계공학과 2018.01 학위논문

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원유가격의 변동, 지구온난화, 배터리 기술의 발달 등으로 전기모터는 차세대 동력원으로 많은 분야에 적용되고 있다. 특히 이동수단 분야에서는 눈에 띄게 그 쓰임이 늘어나고 있다. 자동차 분야에서는 친환경을 강조하며, 전기자동차, 하이브리드 자동차, 수소자동차 등에서 전기모터를 적용하고 있으며, 항공기 분야에서는 소형 무인항공기에 전기모터를 적용하여 오랜 시간 비행할 수 있도록 연구하고있다. 이러한 이동수단에 사용되는 전기모터는 작동 시간을 확보하기 위해 저중량, 고출력이라는 조건이 요구된다.
본 논문에서는 여러 모터들 중 고출력을 낼 수 있어 이동수단에 많이 적용되고 있는 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)를 대상으로 설정하여 성능을 향상시키기 위한 위상최적설계 연구를 진행하였다. 전기모터의 성능 향상을 꾀할 때는 출력과 무게 두가지 측면으로 이야기할 수 있다.
본 논문에서는 출력 향상을 위해 할박 영구자석 배열(Halbach Permanent Magnet array)를 적용하고자 하였으며, 할박 영구자석 배열의 최적화와 동시에 무게를 줄일 수 있는 위상최적설계를 적용하고자 하였다. 하지만 전기모터는 복잡한 형태의 구조물이기 때문에 선행작업으로 선형 액추에이터(Linear actuator)에 할박 영구자석을 최적화하는 연구를 진행하였다. 전자기 장치(Magnetic Device)는 영구자석뿐만 아니라 자속이 흐르는 철, 자기장을 발생시키는 코일도 존재하기 때문에 이들을 모두 최적화하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 할박 영구자석, 철, 코일을 동시에 최적설계 하기 위해 물질 보간 방법을 소개하였으며, 최적설계의 결과로 출력된 할박 영구자석의 제조를 편리하게 할 수 있는 영구자석 조각의 이산화 방법을 소개하였다. 그리고 소개된 방법을 선형 액추에이터에 적용하는 예제를 진행하였다.
본 논문에서는 영구자석 동기모터를 최적설계하기 위해 토크해석을 선행하였다. 토크해석에는 MST(Maxwell’s stress tensor)방법과 d and q-axis방법을 사용되었다. MST방법은 한 지점에 대한 토크를 계산하는 방법으로 로터 위치에 따라 슬롯에 흐르는 자기장 분포가 달라져 토크 리플이 반영된다. 이러한 경우, 모터의 작동위치를 찾는 것이 목적인 토크해석을 수행하기 위해서 많은 계산이 요구된다. d and q-axis방법은 d축(Direct axis)과 q축(Quadrature axis)에 대한 입력전류와 출력 자속쇄교 간의 관계로 간략화된 자기 모델(Simplified magnetic model)을 구축하여 간단한 식을 이용해 해당 범위 내의 토크를 보간하는 방법이다. 본 논문에서는 두 방법을 모두 소개한 후 비교하여 토크해석에 어떤 방법이 적합한지를 판단하였다.
본 논문의 내용은 추후 영구자석 동기모터의 할박 영구자석, 철, 코일 동시설계를 진행하는데 큰 도움이 될 것이며, 연구내용 자체만 보았을 때도 다른 전자기 장치의 성능 향상을 꾀하는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

Due to fluctuations in crude oil prices, global warming, and the development of battery technology, electric motors are being applied to many fields as the next generation power source. Especially in the field of transportation, they have gained an attention noticeably. In the field of automobiles, electric motors are used in electric cars, hybrid cars, and hydrogen cars with emphasis on environmental protection. In the field of aircraft, electric motors are applied to small unmanned aerial vehicles for long time flight. The electric motor used for such a transportation system is required to have a low weight and a high output in order to secure an operation time.
In this paper, a topology optimization study was carried out to improve the performance of a permanent magnet synchronous motor(PMSM), which is widely used for electrified vehicles because it can make high power among several motors. Two aspects of output and weight can be told when improving the performance of an electric motor.
In this paper, the Halbach Permanent Magnet Array is applied to improve the force and the optimization of the permanent magnet array and the weight reduction are achieved by applying the topology optimization. However, since the electric motor is a complicated structure, researches have been carried out to optimize the halbach permanent magnet array in a linear actuator as a preliminary work. Since not only permanent magnets but also ferromagnetic materials through which magnetic flux flows and coils that generate magnetic fields exist in the magnetic device, it is necessary to optimize them. In this paper, a material interpolation method was introduced to optimally design a halbach permanent magnet array, iron and coil simultaneously. And a discretization method of permanent magnet segment has been introduced which can facilitate the manufacture of the halbach permanent magnet array as a result of the optimum design. Finally, examples of applying the proposed method to a linear actuator are shown.
Torque analysis is preceded to optimize the design of PMSM. For torque analysis, Maxwell''s stress tensor (MST) method and d and q-axis method are used. The MST method is a method of calculating the torque for one point, and the torque ripple is reflected by the distribution of the magnetic field flowing through the slot depending on the position of the rotor. In this case, a lot of calculations are required to perform the torque analysis, which is aimed at finding the operating position of the motor. The d and q-axis method makes a simplified magnetic model by the relationship between input current and output flux linkage for the d and q axis, and interpolates the torque in the range using a simple equation. In this paper, two methods were introduced and compared to find out which method is suitable for torque analysis.
This paper will be effective for the simultaneous design of halbach permanent magnet array, iron and coil of PMSM, and will help to improve the performance of other electromagnetic devices.

#선형 액추에이터 #영구자석 동기모터 #위상 최적설계 #할박 영구자석

제 1 장 서 론
1.1 연구배경
1.2 연구내용
제 2 장 선형 액추에이터의 성능 해석
2.1 전자기장 해석
2.2 Maxwell’s stress tensor 방법
제 3 장 할박 영구자석 배열의 위상최적설계
3.1 할박 영구자석 배열 위상최적설계 방법론
3.1.1 물질 보간(Material interpolation scheme)
3.1.2 영구자석 조각 방향 이산화 방법(Discretization of Permanent Magnet segment)
3.2 설계 예제
3.2.1 할박 영구자석의 위상최적설계 예제
3.2.2 할박 영구자석, 철, 코일의 동시 위상최적설계 예제
제 4 장 영구자석 동기모터의 토크해석
4.1 유한요소해석 모델링
4.1.1 형상 모델링
4.1.2 권선(Winding) 모델링
4.2 Maxwell’s stress tensor 방법
4.3 d and q-axis 방법
4.3.1 d축과 q축
4.3.2 입력전류의 좌표변환
4.3.3 간략화된 자기 모델(Simplified magnetic model)
4.3.4 최종 토크 해석
4.3.5 토크-속도 특성 그래프(Torque-Speed characteristic graph)
4.4 MST방법과 d and q-axis 방법의 비교
제 5 장 결 론
참 고 문 헌
ABSTRACT

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