착자방향을 고려한 영구자석 매입형 전동기의 최적설계

Abstract

최근의 가정용, 산업용에 사용되는 전동기에서 고효율에 대한 요구가 높아져 왔다. 전동기의 고효율을 위해서 특별히 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 활용하여 높은 출력밀도를 갖는 영구자석 매입형 전동기(IPM motor: Interior Permanent Magnet Motor)에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에는 IPM motor의 진동, 소음을 줄이는 것이 중요한 문제로 부각되고 있으며, 여러 연구를 통해서 효과적인 해결방법이 제안 되어져 왔다. 한편 영구자석 내부의 착자방향(Magnetization direction) 변화를 이용한 모터의 출력밀도 향상 및 진동, 소음저감을 위한 연구도 진행되고 있는데, 대부분의 연구가 표면 부착형 영구자석 전동기(SPM motor: Surface Permanent Magnet Motor)에 국한되어 연구되어져 왔으며, IPM motor에서의 영구자석의 내부의 착자방향에 대한 연구보다는 V-shape, multi-segment, multi-layer 및 spoke type등의 영구자석의 배치에 대한 연구가 주를 이루어 왔다. 그래서 본 논문에서는 IPM motor에서 진동, 소음 저감 및 평균토크 개선을 위한 전동기의 형상 및 영구자석의 착자방향을 제안하였다. 먼저 IPM motor의 초기설계를 위하여 영구자석 형상 및 극-슬롯 조합에 대한 검토를 진행하였다. 특별히 극-슬롯 조합 검토와 착자방향을 동시에 검토하여 고정자 슬롯 조합과 착자방향 변화에 대한 전동기의 특성 변화 경향을 검토하였다. 검토결과 극-슬롯 조합이 착자방향 보다 모터특성에 더 큰 영향을 주는 것을 확인하였으며 착자방향 특성을 고려하였을때 모터의 초기설계 결과가 추가로 개선될 수 있음을 증명하였다. 다음 과정으로 진동, 소음 저감을 위한 형상 설계 변수와 착자방향에 대한 영향도 분석을 진행하였다. 영향도 분석을 위해서 실험계획법 중 요인배치법(Factorial design)과 주요 효과 분석(Main effect plot) 및 분산분석(ANOVA)을 통해 객관적인 영향도를 비교 하였으며, 가장 영향도가 큰 설계 변수는 공통적으로 착자방향임을 확인하였다. 영향도 분석을 통해 최적설계에 적용될 3가지 설계 변수를 선정하였다. 선정된 설계 변수에 대하여 진동, 소음 저감 및 평균토크 개선을 위한 최적 설계를 진행하였다. 최적 설계의 목적함수는 모터의 진동-소음에 영향을 주는 Torque ripple, cogging torque, 역기전력의 THD 및 평균토크의 최대화를 선정하여 가중치를 고려한 다목적 최적화를 진행하였다. 최적 설계를 위하여 Latin Hypercube Sampling (LHS)을 통해 실험계획을 위한 샘플링을 하였으며, 선정된 모델에 대한 해석결과에 대하여 Kriging 근사 모델링 과 유전알고리즘(GA : Genetic algorithm)을 이용하여 목적함수와 제약조건을 만족하는 최적 값을 제안하였다. 마지막으로 최적 설계 결과에 대한 타당성을 검증하기 위하여 최적 모델에 대한 시작품을 제작하였으며, 무부하 실험과 부하실험을 통하여 진동, 소음에 원인이 되는 cogging torque, torque ripple 및 평균토크가 개선됨을 확인하였다. 또한 실제 모터가 적용될 제품과의 특성을 확인하기 위하여 진동 실험을 진행하였으며, 모터의 cogging toruque, toruque ripple 및 radial force의 주파수특성인 4차와 12차 주파수의 진동 특성이 실제로 감소함으로 인해서 제품 적용 시 제품의 고유 진동 주파수와 만나는 공진점에서의 진동특성도 개선될 것으로 예상된다. 또한 IPM motor에서 영구자석과 회전자 형상을 변경하지 않고 영구자석 내부의 착자방향 변화를 통하여 모터 특성이 개선되는 부분은 고효율 모터나 저소음-저진동 모터 적용 시 개발 비용이나 양산 설비 증가 없이 모터 특성의 성능 향상을 제안할 수 있는 장점을 가지고 있음을 알 수 있다.