전기자동차 구동용 영구자석 보조 동기 릴럭턴스 전동기 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 전기기기의 최적 설계를 위한 멀티모달 알고리즘의 연구가 수행되었고, 이를 이용한 전기자동차(Electric Vehicle : EV) 구동용 전동기 설계를 개념 설계, 최적 설계로 나누어 수행하는 단계별 설계 전략을 제안하였다. 그리고 제안하는 알고리즘을 전기기기의 최적 설계에 적용하여 토크 리플이 저감된 최적 설계안을 도출하였다. EV 구동용 전동기로 주로 사용되는 매입형 영구자석 동기 전동기(interior permanent magnet synchronous motor : IPMSM)는 희토류 가격 상승 때문에 제작 비용이 많이 드는 단점이 있다. 본 논문에서는 제작 비용을 줄이기 위해 IPMSM 대신 비교적 값이 저렴한 Ferrite 자석을 사용한 영구자석 보조 동기 릴럭턴스 전동기(permanent magnet assisted synchronous reluctance motor : PMa-SynRM)를 사용하였다. Ferrite 자석은 Nd 자석보다 자속 밀도가 낮아 발생하는 자석 토크가 낮은데, 이를 보완하고 EV 구동용 전동기의 고출력, 고효율 요구 조건을 만족시키기 위해 회전자 내부에 Ferrite 자석을 MSML(multi-segmented multi-layered) 형태로 삽입하였다. EV 구동용 PMa-SynRM을 설계하기 위해 개념 설계 단계와 최적 설계 단계가 수행된다. 개념 설계 단계에서는 정확한 해석보다는 빠르게 여러 가지 설계변수 조합을 고려하는 것이 중요하기 때문에 계산 속도가 빠른 자기등가회로(magnetic equivalent circuit : MEC)를 이용한 해석을 하였다. 최적 설계 단계에서는 MEC로 해석하기 어려운 비선형 자기포화, 토크 맥동, 철손 특성 등을 분석하기 위해 유한요소법(finite element method : FEM)을 사용한다. 하지만 FEM을 최적 설계에 적용하면 계산시간이 오래 걸리는 문제점이 있다. 본 논문에서는 멀티모달 최적화 문제에 적용할 수 있는 최적화 알고리즘을 두 가지 제안하고, 기존 최적화 알고리즘과 비교하여 성능을 검증하였다. 제안한 두 가지 중 하나의 알고리즘을 EV 구동용 PMa-SynRM 최적 설계에 적용하여 최적 모델을 얻을 수 있었고, 여러 가지 성능을 비교하여 최적 설계안을 도출하였다.| In this paper, the study on multi-modal optimization algorithm for optimal design of electric machines is conducted, and design strategy, that contains concept design and optimal design, is proposed for electric vehicle (EV) traction motor design. The proposed algorithm is applied to optimal design of electric machine, and optimum design with diminished torque ripple is derived. The interior permanent magnet synchronous motors (IPMSMs), which have been widely used for EV traction motor, have a problem with manufacturing cost due to recent rise in rare earth price. Therefore, this paper, a permanent magnet assisted synchronous motor (PMa-SynRM), which uses inexpensive ferrite magnet than rare earth magnet, is adopted instead of IPMSM to lessen the manufacturing cost. However, ferrite magnets have a lower magnetic flux density compared with Nd magnets. To compensate lower magnetic flux density problem and to satisfy the high power and high efficiency requirements of EV traction motor, ferrite magnets are inserted inside of the rotor with multi-segmented multi-layered shape. To design the PMa-SynRM for EV traction motor, the concept design step and optimal design step is conducted. In the concept design step, a magnetic equivalent circuit (MEC), whch can calculate the property of motor much faster than finite element method (FEM), is used to consider various design variables. In the optimal design step, FEM is used to analyze complex characteristics, that cannot be interpreted by MEC, such as cogging torque, torque ripple, or core loss. However, FEM has a problem with computational cost, especially when the FEM is applied to optimal design. This paper proposes two optimization algorithms, that can solve multi-modal optimization problem, and the superiority of the proposed algorithms are verified through comparison with the conventional multi-modal optimization algorithms. One of the two algorithms is applied to the optimal design of PMa-SynRM for EV traction motor, and the optimum design with lower torque ripple is successfully derived.