고토크 밀도를 가지는 코어리스 타입 축 방향 자속 영구 자석 동기모터 설계 - 정재환 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
로봇 조인트 모듈 혹은 인 휠 모터 등 전기 모터 응용 분야에서는 제한된 공간 내에서 높은 효율과 높은 출력을 요구한다. 이에 따라, 최근에는 다양한 냉각 방식을 통해 정격 전류를 높이거나 모터의 구조적 특성을 사용해 모터의 토크 밀도 혹은 출력 밀도를 높이는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 고토크 밀도를 가지는 코어리스 타입 축 방향 자속 영구 자석(axial-flux permanent magnet, AFPM) 동기모터를 설계했다. 특히, 고토크 밀도 설계 방식에 대한 설계 변수를 고려하여 최적 설계를 진행하였다. 고토크 밀도를 가지는 AFPM 모터를 설계하기 위해 세 가지 설계 방법을 채택했다. 먼저, 회전자 오버행 구조를 통해 공극에서의 자속 밀도를 높였다. 맥스웰 방정식(Maxwell equation)에 기반한 표면전류모델(surface current model)과 이미지 방법(method of image)를 통해 공극에서의 3차원 자기장을 계산하고, 로렌츠힘(Lorentz force)에 대한 수치 적분으로 토크 상수와 역기전력을 계산한다. 오버행 구조를 가지는 AFPM 모터에서 유효 길이 내 직선 구간만 고려하는 기존 계산 방식은 유한요소 모델과 비교했을 때 확연한 오차가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 고정자 권선의 곡선 구간에서 발생하는 영향을 고려함으로써 로렌츠힘을 더 정확하게 추정할 수 있는 모델링 방법을 제안하였다. 다음으로, 회전자 요크(yoke)의 두께를 최소화했다. 토크 밀도는 질량에 반비례하는 특성을 가진다. 본 연구에서는 자기등가회로(magnetic equivalent circuit, MEC)를 통해 회전자 요크에서 발생하는 자기 부하를 예측하여 포화 조건에 해당하는 두께까지 회전자 요크의 불필요한 두께를 최소화하였다. 마지막으로, 고정자의 구조체로 기존의 에폭시 레진보다 열전도율이 높은 탄소섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)를 사용했다. 열전도율이 높은 CFRP를 사용함으로써 권선에서 발생하는 손실에 의한 열을 더 효과적으로 소산시킬 수 있다. 본 연구에서는 모터의 열 해석을 위한 코어리스 타입 AFPM 모터의 3차원 열등가회로(lumped parameter thermal network, LPTN)를 제안하였다. 특히, 회전자의 회전에 의한 강제 대류 효과를 고려하여 회전속도에 따른 정격 전류를 계산할 수 있다. AFPM 모터는 다양한 설계 요구 사항 및 제약 조건을 고려해야 하고 다중 설계 변수를 다루므로 최적 설계하기 까다롭다. 따라서, 국부 최적값(local optimum)에 수렴하지 않도록 주의해야 한다. 본 연구에서는 유전 알고리즘(genetic algorithm, GA)를 이용하여 8개의 설계 변수를 최적화했다. 유전 알고리즘은 계산 시간이 많이 소모되는 단점이 있지만, 적절한 초매개변수(hyper-parameter)를 선정함으로써 전역 최적값(global optimum)에 수렴할 수 있다. 고토크 밀도를 갖기 위한 3가지 방법을 포함하여 최적 설계된 제안 방식의 AFPM 모터와 기존의 최적 설계 방식의 AFPM 모터를 비교함으로써 제안 방식의 우위성을 판단했다. 최종적으로 설계된 제안 방식의 AFPM 모터를 제작하여, 열과 전자계에 대한 수치 모델의 추정 성능을 검증했다. 또한, 모터의 사양을 측정했으며 동력계 시험대를 구성하여 무부하 조건과 부하 조건 실험을 진행했다.
학위논문(석사)--기계공학과,2023. 2
Keywords: 고토크 밀도 설계; 로렌츠힘; 열등가회로; 유전 알고리즘; 이미지 방법; 자기등가회로; 축 방향 자속 영구 자석 모터; 코어리스 타입; 탄소섬유 강화 플라스틱; 표면전류모델; 회전자 오버행 구조