토폴로지 최적화를 이용한 산업용 동기 릴럭턴스 전동기 최적설계

Abstract

본 논문에서는 IE4(super premium efficiency) 등급 산업용 동기 릴럭턴스 전동기(synchronous reluctance motor: SynRM)의 최적 설계에 적용할 수 있는 토폴로지 최적화(topology optimization: TO)를 제안한다. SynRM은 회전자의 돌극성을 활용한 릴럭턴스 토크로 구동되는 전동기이다. 유도전동기보다 높은 효율을 가지며, 영구자석을 사용하지 않아서 가격이 저렴하고 안정성이 높다는 장점이 있다. SynRM의 릴럭턴스 토크를 최대화하는 최적형상은 복잡한 구조이기 때문에 기존 매개변수 알고리즘으로 탐색하기 어렵다. 따라서 형상을 작은 셀로 나누어 재질을 반전시키며 최적해를 탐색하는 TO를 적용한다. TO는 매개변수 알고리즘의 빠른 수렴성능과 토폴로지 최적화 기법의 복잡하고 다양한 형상 탐색능력을 활용하기 위해서 매개변수 알고리즘을 활용한 초기 설계 및 메쉬그리드 설정과 ON-OFF 기법을 활용한 토폴로지 세부 최적화로 구성된다. 효율적인 토폴로지 탐색을 위해서 개선된 니칭 알고리즘을 SynRM의 공기 장벽을 구성하는 타원 곡률 최적화에 적용하여 초기 설계안을 얻고 설계범위에 메쉬그리드를 생성하였다. ON-OFF 기법의 최적해 탐색에 필요한 해석 횟수를 획기적으로 줄이기 위해 경계면 ON-OFF 기법을 적용하였다. 이후 불연속적인 구조에 비율기반 평탄화 기법을 적용하여 SynRM의 성능을 개선하고 제조 난도를 낮췄다. 마지막으로 스큐 기법을 이용하여 토크 리플을 줄이고 응력해석을 통해 기계적 안정성을 확인하였다. 제안한 토폴로지 최적화는 IE4 급 산업용 SynRM 최적 설계에 적용되어 요구조건을 만족하는 최적 설계안을 도출하였다.| In this paper, a topology optimization (TO) that can be applied to the optimal design of an IE4 (super premium efficiency) grade industrial synchronous reluctance motor (SynRM) is proposed. SynRM is a motor driven by reluctance torque utilizing the saliency of the rotor. SynRM has a higher efficiency than an induction motor, and since SynRM does not use a permanent magnet, therefore, has the advantages of low price and high stability. The optimal shape that maximizes the reluctance torque is difficult to explore with the existing parametric algorithm because it is a complex structure. Therefore, TO is applied, which is a method to search for an optimal solution while changing the material by dividing the shape into small cells. TO utilizes the fast convergence performance of the parametric algorithm and the complex and diverse shape search ability of the topology optimization technique, it consists of an initial design using a parametric algorithm, mesh grid setting, and topology detailed optimization using ON-OFF technique. For efficient topology search, the improved niching algorithm was applied to the optimization of the elliptic curvature constituting the air barrier of SynRM to obtain an initial design plan and to create a mesh grid within the design range. The boundary ON-OFF technique was applied to dramatically reduce the number of analyzes required for the optimal solution search of the ON-OFF technique. Afterwards, the ratio-based planarization technique was applied to the discontinuous structure to improve the performance of SynRM and lower the manufacturing difficulty. Finally, torque ripple was reduced by using the skew technique and mechanical stability was confirmed through stress analysis. The proposed topology optimization was applied to the IE4 class industrial SynRM optimal design to derive the optimal design that satisfies the requirements.