풍력 발전기, 전기 자동차 견인용 전동기, 로봇 관절 구동용 전동기와 같이 제한된 공간 내에서 높은 토크와 출력을 요구하는 응용 분야에서 영구자석 기기가 많이 사용되면서, 고토크밀도의 영구자석 기기의 해석과 설계의 필요성이 높아지고 있다. 오버행 구조는 영구자석 기기의 토크밀도를 효과적으로 높일 수 있는 구조이지만, 오버행 구조가 적용된 영구자석 기기의 정확한 전자계 해석을 위해서는 긴 해석 시간이 소요되는 3차원 유한요소법이 필수적이다. 따라서 본 논문에서는 반경 방향 자속 영구자석(radial-flux permanent-magnet: RFPM) 전동기와 축 방향 자속 영구자석(axial-flux permanent-magnet: AFPM) 전동기에서 오버행 효과를 빠르고 정확하게 고려할 수 있는 해석적 기법을 제안하였다. 또한 오버행 구조가 RFPM 전동기의 열 특성에 미치는 영향을 분석하였고 이를 빠르게 고려할 수 있는 열등가회로법을 제안하였다.
RFPM 전동기는 축 방향을 기준으로 전자기적 특성이 일정하기 때문에 2차원 유한요소법을 이용하여 전자계 해석이 가능하다. 하지만 오버행 구조가 적용되는 경우 축 방향으로의 일정한 전자기적 특성이 없어지기 때문에 3차원 유한요소법을 이용하여 전동기 특성을 해석해야 한다. 따라서 본 논문에서는 빠른 시간 내에 정확하게 RFPM 전동기의 오버행 효과를 고려할 수 있는 해석적 기법을 제안하였다. 제안하는 해석적 기법은 먼저 공간고조파법을 이용하여 오버행이 적용되지 않은 전동기의 자속 분포를 도출하고 자기등가회로법을 이용하여 오버행으로 인해 증가되는 자속의 크기를 도출한다. 그리고 최종적으로 두 해석 결과를 종합하여 오버행이 적용된 RFPM 전동기의 전자기적 특성을 계산한다. 제안하는 해석적 기법의 정확성은 3차원 유한요소법과 시험용 RFPM 전동기의 실험을 통해 검증되었다.
오버행 구조는 영구자석 전동기의 전자기적 특성뿐만 아니라 열 특성에도 많은 영향을 미친다. 전동기의 온도는 전동기의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미치기 때문에 전동기 설계 단계에서부터 전동기의 열 특성을 고려하는 것이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 오버행 구조가 RFPM 전동기의 열원 분포와 전동기 내부에서의 열 전달 특성에 미치는 영향을 분석하였고, 이를 빠르게 고려할 수 있는 열등가회로법을 도출하였다. 제안하는 열등가회로법의 정확성은 시험용 RFPM 전동기의 온도 실험을 통해 검증되었다.
AFPM 전동기는 축 방향의 공간이 제한적인 경우에도 높은 토크밀도를 갖는 특성이 있어 그 활용도가 높다. 하지만 AFPM 전동기의 경우 축 방향으로의 일정한 전자기적 특성이 없기 때문에 3차원 유한요소법을 이용하여 전자기적 특성을 해석해야 한다. 따라서 본 논문에서는 AFPM 전동기의 전자기적 특성을 빠르고 정확하게 해석할 수 있는 quasi-3-D 해석적 기법을 제안하였다. 또한 영구자석 전동기의 토크밀도를 효과적으로 높일 수 있는 오버행 구조가 적용된 AFPM 전동기의 전자기적 특성을 빠르고 정확하게 고려하기 위해서 앞서 제안한 quasi-3-D 해석적 기법과 자기등가회로법을 결합한 해석적 기법을 제안하였다. 제안된 해석적 기법의 정확성은 3차원 유한요소법과 시험용 AFPM 전동기의 실험을 통해 검증되었다.
전기기기의 설계는 다양한 요구 조건을 고려해야 하고 전기기기의 성능에 영향을 미치는 많은 설계 변수들을 고려해야 하기 때문에 최적화 알고리즘을 이용하여 수행하는 것이 효과적이다. 전기기기의 최적 설계 시간과 최적 설계 결과는 최적화 알고리즘의 성능에 많은 영향을 받기 때문에 우수한 최적화 알고리즘을 개발하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 서브 그룹 개념과 크리깅 근사 모델(Kriging surrogate model)을 활용함으로써 최적화에 필요한 함수 호출 횟수를 효과적으로 감소시키면서 우수한 최적해를 찾을 수 있는 멀티모덜(multimodal) 최적화 알고리즘을 제안하였다. 제안하는 최적화 알고리즘의 성능을 여러 시험 함수를 이용하여 기존의 멀티모덜 최적화 알고리즘들과 비교하여 검증하였다. 또한 AFPM 전동기의 코깅 토크 저감 설계에 제안된 최적화 알고리즘을 적용하여 우수한 최적 설계 결과를 도출하였다.
오버행 구조가 영구자석 전동기의 토크밀도 개선에 미치는 영향을 확인하고 본 논문에서 제안된 해석적 기법과 최적화 알고리즘을 검증하기 위해 로봇 관절 구동용 RFPM 전동기 1대와 전기 자동차 인 휠 시스템용 AFPM 전동기 1대를 각각 설계, 제작, 실험하였다.