Halbach 배열을 적용한 축 방향 자속 영구자석 전동기의 Inter-Pole Bridge 구조를 통한 성능 개선 연구 = A Study on Performance Improvement of an Axial Flux Permanent Magnet Motor with Halbach Array Using an Inter-Pole Bridge Structure

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 축 방향 영구자석 전동기(Axial Flux Permanent Magnet Motor, AFPM)의 역기전력의 총고조파왜율(Total Harmonic Distortion, THD)를 개선하여 센서리스 제어 안정성을 향상하기 위한 새로운 구조인 Inter-Pole Bridge(IPB) 구조를 제안하였다. AFPM은 고토크·고효율 특성을 갖는 장점이 있으나, 치집중권 구조로 인해 역기전력의 THD가 증가하는 문제가 있다. 특히 센서리스 제어에서는 역기전력의 THD가 회전자 위치 추정의 정확도를 결정하는 핵심 요소이기 때문에 THD 개선은 안정적인 제어를 위해 반드시 해결해야 하는 과제이다.
기존 연구에서는 극-슬롯 조합 최적화, 자석 형상 설계, 영구자석 스큐(skew) 구조 적용, 다분할 halbach 배열 등 다양한 THD 개선 기법이 연구되었다. 그러나 기존 연구는 토크 감소, 제작 난도 증가, 비용 상승 등의 일부 한계가 존재하였다. 이에 본 연구에서는 다분할 halbach 배열 수준의 THD 개선 효과를 유지하면서도 제작성 문제 또한 해결할 수 있는 구조적 대안으로 IPB 구조를 제시하였다. IPB 구조는 인접한 자석 극 사이에 코어를 삽입하여 세그먼트 경계에서 발생하는 극간 누설 및 자속의 변화율을 완화하는 구조로 설계되었다. 제안된 IPB 구조의 타당성을 검증하기 위해 기본 모델, 2 세그먼트 모델 및 3 세그먼트 halbach 배열 AFPM을 설계하고 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 사용한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 또한 IPB 구조의 설계 변수를 고려한 파라미터 해석을 통해 평균 토크, 토크 리플, 코깅 토크, 역기전력의 THD를 분석하였으며, 최적 형상을 선정하였다. 해석 결과, IPB 모델은 토크 193.61[mNm], 토크 리플 1.28[%], 코깅 토크 2.35[mNm], THD 0.47[%]의 성능을 보여 기본 모델 및 2·3 세그먼트 모델 대비 우수한 특성을 나타내었다. 특히 역기전력의 THD가 기본 모델 대비 6.28[%] 감소하여 AFPM의 회전자 위치 추정 정확도 향상 가능성을 확인하였다.
본 연구는 halbach 배열의 세그먼트 분할 수 증가 없이도 다분할 halbach 배열의 THD 개선 효과를 단순 2 세그먼트 구조에서 구현할 수 있는 설계 방법을 제시하였다는 데 의의가 있다. 따라서 IPB 구조는 제작 난도의 증가 없이 고조파 성분을 효과적으로 개선할 수 있어 AFPM 기반 구동 시스템에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 iv
• 그림목차 v
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 제 2장 AFPM의 구조적 특성 THD 개선에 관한 기존 연구 분석 및 개선 방안 4
• 2.1. AFPM의 구조적 특성 4
• 2.2. AFPM의 THD 개선에 관한 기존 연구 분석 6
• 2.3. Halbach 배열 자화 구조 및 공극 자기장 수식 13
• 제 3장 Halbach 배열을 적용한 AFPM의 FEM 해석 19
• 3.1. AFPM 기본 모델 설계 및 해석 조건 19
• 3.2. Halbach 배열 극호율 및 세그먼트 분할 수에 따른 특성 검토 23
• 제 4장 Inter-Pole Bridge 구조 제안 및 FEM 해석 30
• 4.1. IPB 형상 변수 정의 및 FEM 해석 30
• 4.2. 기존 모델과 제안 모델 간 특성 비교 38
• 제 5장 결론 42
• 참고문헌 44
• Abstract 52
• 감사의 글 54