고토크 밀도를 가지는 코어리스 타입 축 방향 자속 영구 자석 동기모터 설계
Design of a High Torque Density Air-Cored Axial-Flux Permanent Magnet Synchronous Motor
- 주제(키워드) 축 방향 자속 영구 자석 모터 , 코어리스 타입 , 고토크 밀도 설계 , 회전자 오버행 구조 , 표면전류모델 , 이미지 방법 , 로렌츠힘 , 자기등가회로 , 탄소섬유 강화 플라스틱 , 열등가회로 , 유전 알고리즘
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 최영만
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032755
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
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.
more초록/요약
Electric machine applications, such as robot joint modules or in-wheel motors, require high efficiency and high power within a limited space. Accordingly, research has recently been actively conducted on a method of increasing the torque density or power density of a motor through various cooling methods or using structural characteristics of the motor. In this study, a core-less type axial-flux permanent magnet(AFPM) synchronous motor with high torque density was designed. In particular, the optimal design was conducted in consideration of the design parameters for the high torque density design method. For AFPM motors with high torque density, three design methods have been adopted. First, the magnetic flux density in air-gap was increased through the rotor overhang structure. The three-dimensional magnetic field in the air-gap is calculated through a surface current model and method of image based on Maxwell equation, and the torque constant and back-elctromotive force(back-EMF) are calculated by numerical integration for Lorentz force. The conventional calculation method that considers only the straight section within the effective length in the AFPM motor with the overhang structure has a error compared to the finite element model(FEM). Therefore, in this study, we propose a modeling method to more accurately estimate the Lorentz force by considering the influence of the curve section in the winding. Secondly, the thickness of the rotor yoke was minimized. The torque density has a property that is inversely proportional to the mass. In this study, a magnetic load generated in the rotor yoke through a magnetic equivalent circuit(MEC) to minimize the unnecessary thickness of the rotor yoke up to the thickness corresponding to the saturation condition was predicted. Finally, carbon fiber reinforced plastic(CFRP) with higher thermal conductivity than conventional epoxy resins was used as the structure of the stator. By using CFRP having high thermal conductivity, heat due to copper-loss generated in the winding can be more effectively dissipated. In this study, a three-dimensional lumped parameter thermal network(LPTN) of a core-less type AFPM motor for thermal analysis of the motor was proposed. Particularly, a rated current according to rotational speed was calculated in consideration of a forced convection effect caused by rotation of the rotor. AFPM motors are difficult to design optimally because they require consideration of various design requirements and constraints and address multiple design parameters. Therefore, care should be taken not to converge to the local optimum. In this study, eight design parameters were optimized using genetic algorithm(GA). GA has the disadvantage of consuming a lot of computational time, but they can converge to the global optimum by selecting an appropriate hyper-parameter. The superiority of the proposed method was judged by comparing the AFPM motor of the optimal design method including three methods to have high torque density with the AFPM motor of the conventional optimal design method. The AFPM motor of the proposed design method was fabricated and the estimation performance of the numerical model for heat and electromagnetic was verified. In addition, the specifications of the AFPM motor were measured, and a dynamo-meter test bed was constructed to conduct no-load and load condition experiments.
more목차
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 고토크 밀도 AFPM 모터의 선행 연구 현황 7
1.3 연구 목적 9
제2장 AFPM 모터의 특성해석 12
2.1 전자기 해석 12
2.1.1 3차원 자기장 해석 12
2.1.2 Lorentz force 계산 16
2.1.3 자기등가회로법을 이용한 자기 부하 해석 27
2.1.4 전자기 해석 모델과 유한요소 모델 간 비교 검증 32
2.2 열 해석 46
2.2.1 열원 및 노드 구성 46
2.2.2 전도 열 저항 51
2.2.3 환풍 효과를 고려한 대류 열 저항 59
2.2.4 열등가회로 61
2.2.5 열 해석 모델과 유한요소 모델 간 비교 검증 65
제3장 설계 원리 및 방법 68
3.1 AFPM 모터의 고토크 밀도 설계를 위한 절차 및 방법 68
3.2 유전 알고리즘을 이용한 설계 변수 최적화 71
3.2.1 파라미터 및 제약 조건 71
3.2.2 설계 변수 최적화 77
3.2.3 최적 설계 결과 80
3.3 제안 설계 방식의 최적 설계 결과 86
3.3.1 기존 설계 방식으로의 최적 설계 결과 86
3.3.2 기존 설계 방법과의 성능 비교 88
제4장 제작 및 실험 91
4.1 AFPM 모터 제작 91
4.2 실험 절차 및 시험대 구성 97
4.3 실험 결과 100
4.3.1 자기장 및 모터 사양 측정 100
4.3.2 무부하 조건 실험 104
4.3.3 부하 조건 실험 106
제5장 결론 및 향후 과제 109
5.1 결론 109
5.2 향후 과제 111
REFERENCES 112
ABSTRACT 118
