페라이트 영구자석 매입형 전동기의 Flared 형상 회전자 최적설계

Abstract

본 논문은 영구자석 매입형(IPM) BLDC 전동기의 회전자 구조에 한정하여 페라이트 영구자석을 이용한 새로운 Flared-shape 회전자 구조를 제안하고, 유전알고리즘을 이용하여 영구자석 및 회전자 코어 형상에 대한 최적설계를 연구하고자 한다. 본 논문에서 제안하는 새로운 회전자 배치 구조는 페라이트 C형 영구자석들을 회전자에 나팔 모양(Flared-shape)의 형태가 되도록 배치하는 구조로서, 영구자석 삽입량을 최대로 할 수 있으며 자속집중화 효과를 발생시킬 수 있는 구조이다. 제안 모델인 페라이트 자석을 이용한 Flared-shape 회전자 구조의 효과 및 타당성을 검증하기 위하여, 기존 차량용 압축기 모터에 적용되는 희토류 계열 영구자석 매입형 BLDC 전동기의 특성 해석을 진행하고, 제안 모델의 특성해석 결과와 비교하여 제안 모델의 구조적 특징을 설명하였다. 또한 희토류 계열 영구자석 매입형 구조 이외에 종래 산업계에서 많이 사용되고 있는 페라이트 영구자석 매입형 회전자 구조들에 대한 특성 해석을 수행하고 이를 제안모델의 특성과 비교하여, 제안 모델의 구조적인 특징을 기술하였다.

본 논문에서는 역기전력 및 토크 최대화, 토크리플 최소화를 위한 영구자석 및 회전자 형상에 대한 최적화 설계 연구를 진행하였다. 최적화 설계 진행을 위하여 설계 변수로는 페라이트 영구자석의 착자 방향 두께, 영구자석의 각도 및 극각도 등을 설계 변수로 선정하였고 실험계획법을 이용하여 선정된 설계변수들의 샘플링 범위를 결정하였다. 또한 효율적인 최적점 도출을 위해 많이 사용되는 크리깅(Kriging) 근사화 모델링 기법을 수행하였고 마지막으로 유전알고리즘(Genetic Algorithm: GA)을 활용하여 초기 목적함수와 제약조건을 만족하는 최적 설계변수 포인트를 도출하여 제안 모델에 대한 형상 최적화를 수행하였다. 최적화를 통해 수렴된 최적 설계변수들은 유한요소(Finite Element Method: FEM) 해석을 이용한 특성해석을 수행하고, 초기 설계변수의 특성해석 결과와 비교하여 최적모델에 대한 구조적인 특성을 고찰하였다.

마지막으로 본 논문에서 최적 설계된 Flared type 페라이트 회전자 형상의 최적화 설계 값과 최적화 해석방법에 대한 타당성을 실험적으로 검증하기 위하여, 최적화 모델에 대한 시작품 제작을 진행하였다. 부하특성에 따른 성능을 검증하기 위하여 실험시스템을 구축한 후 무부하 및 부하에 따른 특성평가를 각각 진행하였다. 최종적으로 최적화 모델에 대한 유한요소 특성해석 결과 값과 실험 결과 값을 비교하여 최적설계에 대한 타당성을 검증하였다.