동기 전동기 출력 강건성 향상을 위한 이중 스테이지 회전자 구조 최적화 설계 = Optimized Design of a Dual-Stage Rotor Structure for Enhancing Output Robustness of Synchronous Motors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In modern industry, permanent magnet synchronous motors (PMSMs) employing rare-earth permanent magnets have become the de facto core actuators in applications demanding high efficiency and high power density. However, rare-earth magnets entail high material cost and supply instability, and under high-temperature and over-current operating conditions they suffer reversible and irreversible demagnetization, leading to output degradation. Synchronous reluctance motors (SynRMs), which actively utilize reluctance torque, can reduce dependence on permanent magnets and improve temperature robustness, but their power density, efficiency, and power factor are generally insufficient to directly replace interior PMSMs (IPMSMs) and permanent-magnet-assisted SynRMs (PMa-SynRMs). Consequently, a new structural approach is required that can simultaneously mitigate the trade-offs among permanent magnet reduction, demagnetization-robust torque capability, power density, efficiency, and power factor.
This paper proposes a dual-stage rotor synchronous motor (DSR-SM), in which a PMSM rotor section and a SynRM rotor section are stacked along the axial direction. If the reluctance torque of the SynRM section is effectively exploited, the required PMSM section length can be reduced, thereby alleviating the drawbacks associated with strong dependence on rare-earth magnets. To this end, the DSR-SM concept is introduced and systematically analyzed for industrial fan and pump motors. First, finite-element analysis (FEA) is carried out for fan and pump IPMSM, PMa-SynRM, and SynRM models to compare output torque, efficiency, power factor, demagnetization sensitivity of permanent magnets, and material cost composition. The results confirm that IPMSMs offer the highest performance but show strong dependence on magnets and high sensitivity to demagnetization, whereas SynRMs are advantageous in terms of thermal robustness and cost but cannot directly replace PMSMs of the same rating due to their low power density and power factor. Based on this, IPMSM and PMa-SynRM machines are selected as baseline models, and a DSR-SM design procedure capable of reducing permanent magnet usage by approximately 20% without modifying the original PMSM rotor geometry is proposed. In this procedure, the total torque of the baseline PMSM is decomposed into magnetic and reluctance torque components and normalized by torque per axial length, and the axial lengths of the PMSM and SynRM sections are allocated accordingly.
Using the proposed design procedure, DSR-IPMSM and DSR-PMa-SynRM prototypes are designed, and their efficiency, power factor, demagnetization sensitivity, and material cost are compared with those of the corresponding baseline IPMSM and PMa-SynRM. These results verify that the DSR structure enhances output robustness under permanent magnet demagnetization. However, the initial DSR designs exhibit noticeable degradation in efficiency and power factor, which motivates an optimization strategy based on mechanical axis adjustment of the SynRM rotor section. By shifting the mechanical center of the SynRM section, the maximum-torque current angle of the SynRM section is aligned with that of the PMSM section, improving the utilization of the combined torque and minimizing the required increase in axial stack length. At the same time, the SynRM section can be operated closer to its maximum power factor angle at the rated operating point, thereby significantly improving both efficiency and power factor of the DSR-IPMSM and DSR-PMa-SynRM.
Since the performance of DSR-IPMSM and DSR-PMa-SynRM is strongly influenced by the characteristics of the SynRM rotor section, this study further investigates a DSR-SynRM structure in which the DSR concept is applied to a SynRM baseline rather than to a PMSM. Specifically, PMSM rotor sections derived from the baseline IPMSM and PMa-SynRM are integrated with an optimized high-reluctance-torque, high-power-factor SynRM rotor. By simultaneously improving the reluctance torque and power factor per axial length of the SynRM section, the axial length required to achieve 20% permanent magnet reduction, and the associated penalties in efficiency and power factor, can be further reduced compared with DSR-IPMSM and DSR-PMa-SynRM. These results demonstrate that, for enhancing output robustness under magnet degradation while minimizing efficiency and power factor deterioration, applying the DSR structure to a SynRM baseline (DSR-SynRM) is more effective than applying it directly to IPMSM or PMa-SynRM. Finally, three-dimensional analysis of axial leakage flux and back-yoke leakage paths for different SynRM–PMSM stage combinations identifies the (SynRM–PMSM) arrangement as the optimal stage configuration, minimizing torque reduction due to leakage flux.
The analysis confirms that the proposed DSR-SynRM can reduce permanent magnet usage by about 20% compared with conventional IPMSM and PMa-SynRM, while significantly decreasing the required current rise under elevated-temperature demagnetization conditions. For example, when the operating temperature increases from 20 °C to 100 °C, the current rise of the baseline IPMSM is 4.28%, whereas that of the DSR-SynRM (IPMSM-based) is reduced to 3.50%; similarly, the current rise of the PMa-SynRM baseline decreases from 2.44% to 1.91% in the DSR-SynRM (PMa-SynRM-based) design, indicating improved torque robustness against demagnetization. The axial stack length increase associated with 20% magnet reduction is also limited to about 12.69% for the IPMSM-based model and 8.08% for the PMa-SynRM-based model, and the corresponding maximum-load efficiencies are maintained at 91.47% and 91.36%, respectively, close to those of the baseline IPMSM (92.11%) and PMa-SynRM (91.61%). In terms of power factor, the mechanically adjusted DSR-IPMSM and DSR-PMa-SynRM achieve ranges of 88–93% and 84–93%, respectively, while the mechanically adjusted DSR-SynRM further improves these to 92–96% (IPMSM-based) and 90–95% (PMa-SynRM-based), thus ensuring a practical operating range with minimal power-factor degradation due to the DSR structure. From a cost perspective, the total material cost of the DSR-SynRM is reduced by approximately 8.52% for the IPMSM-based case and 8.07% for the PMa-SynRM-based case, demonstrating that magnet reduction not only enhances demagnetization robustness but also mitigates the cost risk associated with rare-earth magnet price volatility.
By applying the proposed DSR-SM concept to IPMSM, PMa-SynRM, and SynRM drives, this study shows that a relatively simple structural modification—axially distributing SynRM and PMSM rotor sections while preserving the original rotor cross-section—can provide a practical design alternative that balances permanent magnet reduction, demagnetization-robust torque capability, efficiency, power factor, and material cost. The proposed design and optimization procedures are expected to serve as a structural option for reducing rare-earth dependence and cost volatility not only in industrial fan and pump motors but also in a broad range of future synchronous-motor applications.

국문 초록 (Abstract)

현대 산업에서 희토류 영구자석을 사용하는 영구자석 동기 전동기는 고효율, 고출력 밀도를 요구하는 응용 분야에서 사실상 대체가 어려운 핵심 구동원으로 자리 잡았다. 하지만 희토류 영구자석은 높은 재료 단가와 함께 공급 불안정성이 크고 고온 및 과전류 구동 조건에서 가역, 불가역 감자가 발생할 경우 출력 저하를 초래한다. 한편 릴럭턴스 토크를 적극 활용하는 SynRM 구조는 영구자석 의존도를 줄이고 온도 강건성을 개선할 수 있지만 출력 밀도와 효율 및 역률 측면에서 기존 IPMSM 과 PMa-SynRM 을 그대로 대체하기에는 한계가 존재한다. 따라서 영구자석의 사용량 저감과 이를 통한 감자 발생 시 출력 강건성 확보, 출력 밀도, 효율, 역률 유지 사이의 트레이드오프를 동시에 완화할 수 있는 새로운 구조적 접근이 요구된다. 본 논문에서 제안하고자 하는 이중 스테이지 회전자형 동기 전동기(DSR-SM)는 회전자 축방향으로 SynRM 과 PMSM 으로 구성되므로 SynRM 구조의 릴럭턴스 토크를 적절히 활용할 수 있다면, PMSM 영역의 사용량을 줄일 수 있어 영구자석에 의한 의존도로 인한 문제를 줄일 수 있는 해답이 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이중 스테이지 회전자형 동기 전동기를 제안하고, 산업용 팬 및 펌프 모터를 대상으로 그 설계 절차와 특성을 체계적으로 분석하였다. 먼저 팬 및 펌프용 IPMSM 과 PMa-SynRM, SynRM에 대해 유한요소해석을 수행하여 출력과 효율, 역률, 영구자석의 감자 민감도, 재료비 구성 등을 비교함으로써 IPMSM 은 높은 성능과 동시에 자석 의존도가 크고 감자에 취약하며 SynRM 은 온도 및 비용 측면에서 유리하지만 낮은 출력 밀도와 역률로 인해 동일 용량 PMSM 을 직접 대체하기 어렵다는 점을 확인하였다. 이를 바탕으로 기존 IPMSM 과 PMa-SynRM 을 기준 모델로 선정하고 회전자 형상 변경 없이 영구자석 사용량을 약 20% 저감할 수 있는 DSR-SM 설계 프로세스를 제안하였다. 이 과정에서 기존 PMSM 토크를 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크 성분으로 분리하고 축방향 길이당 토크로 정규화하여 PMSM 영역과 SynRM 영역의 축방향 길이를 배분하는 방법을 정식화하였다. 제시된 DSR-SM 설계 프로세스를 기반으로 DSR-IPMSM 과 DSR-PMa- SynRM 에 대한 설계를 수행하였고, 효율, 역률, 영구자석의 감자 민감도, 재료비 구성 등을 기존의 IPMSM 과 PMa-SynRM 과 비교함으로써 DSR 구조가 영구자석의 성능 저하 발생 시 출력 강건성을 높이는데 유리함을 확인하였다. 하지만, 상대적으로 효율과 역률 낮은 문제가 발생하였으며, 이를 개선하기 위한 DSR 의 기계적 중심축 조정 방안을 제시하였다. 이를 통해 SynRM 영역 회전자의 기계적 중심축을 조정하여 PMSM 영역과 SynRM 영역의 최대 토크 전류 위상각을 정렬함으로써 합성 토크 이용률을 높이고 축방향 총 길이 증가를 최소화하며, 동일 동작 포인트에서 SynRM 영역 회전자의 역률을 높일 수 있었으며, DSR- IPMSM과 DSR-PMa-SynRM의 효율과 역률을 크게 개선하였다. DSR-IPMSM 과 DSR-PMa-SynRM 의 설계를 통해 DSR 의 효율과 역률은 SynRM 영역 회전자의 성능에 밀접한 영향을 받음을 확인할 수 있었으므로, PMSM 에 DSR 구조를 적용하는 것이 아닌 SynRM 에 DSR 구조를 적용하는 DSR-SynRM에 대한 설계를 수행해 보았다. 릴럭턴스 토크와 역률이 최적화된 SynRM 회전자에 기존 IPMSM 과 PMa-SynRM 의 PMSM 영역을 적용하여 SynRM 영역 회전자의 축방향 길이당 릴럭턴스 토크와 역률을 동시에 향상시킴으로써 영구자석 20% 저감을 위해 요구되는 SynRM 영역의 축방향 길이와 그에 따른 효율 및 역률 저하를 DSR-IPMSM 과 DSR-PMa-SynRM 보다 추가로 줄일 수 있음을 보였다. 이러한 결과를 통해 DSR 구조는 IPMSM 과 PMa- SynRM 에서 접근하는 것보다 SynRM 에서 접근하는 DSR-SynRM 으로 설계하는 것이 영구자석의 성능 저하 발생 시 출력 강건성을 향상시키고자 할때 효율과 역률 저하를 최소화하는데 적합함을 확인하였다. 마지막으로 SynRM–PMSM 스테이지 조합에 따른 축방향 누설 자속 및 백요크 누설 자속 경로를 3D 해석으로 분석하여 (SynRM– PMSM) 구성이 누설 자속에 따른 토크 감소를 최소화하는 최적 스테이지 구성임을 도출하였다. 분석 결과, 제안된 DSR-SynRM 은 기존 IPMSM 및 PMa-SynRM 대비 영구자석 사용량을 약 20% 저감하면서도, 온도 상승에 따른 영구자석 감자 상황에서 요구 전류 상승률을 유의미하게 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 예를 들어 20 ℃에서 100 ℃로 구동 온도가 상승할 때 IPMSM 의 전류 상승률은 4.28%인 반면, DSR-SynRM (IPMSM 기반)은 3.50% 수준으로 감소하였으며 PMa-SynRM 기반 모델에서도 2.44%에서 1.91%로 전류 상승률이 줄어 감자에 대한 출력 강건성이 향상되었다. 또한 영구자석 저감으로 인한 축방향 길이 증가는 IPMSM 기반 모델에서 약 12.69%, PMa-SynRM 기반 모델에서 약 8.08% 수준으로 억제되었고, 최종 최대 부하 효율은 각각 91.47%, 91.36%로 기존 IPMSM(92.11%), PMa-SynRM(91.61%) 대비 효율 저하를 최소화할 수 있었다. 역률 측면에서도 기계적 중심 조정을 통해 개선된 DSR- IPMSM이 88~93%, DSR-PMa-SynRM은 84~93% 수준까지 향상될 수 있던 것과 달리 기계적 중심 조정된 DSR-SynRM 의 IPMSM 기반 모델은 92– 96%, PMa-SynRM 기반 모델은 90–95% 수준의 역률 분포를 확보하여 DSR 구조 적용시 역률 저하를 최소화하며 실용적인 운전 범위를 만족하였다. 재료비 관점에서는 DSR-SynRM의 IPMSM 기반 모델의 경우 전체 재료비가 8.52%, PMa-SynRM 기반 모델의 경우 8.07% 각각 감소하여 자석 저감에 따른 감자 강건성 향상과 더불어 영구자석 가격 변동에 대한 비용 리스크 완화에도 기여할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 DSR-SM 을 IPMSM 과 PMa-SynRM, SynRM 에 적용 해봄으로써 기존 동기 전동기 회전자의 형상을 유지한 상태에서 축방향 SynRM 영역과 PMSM 영역을 분배하여 배치하는 비교적 단순한 구조 변경만으로 영구자석의 사용량 저감 및 감자 강건성 향상, 효율, 역률, 재료비 절감 사이의 균형을 확보할 수 있는 실용적인 설계 대안임을 확인하였다. 제안된 설계 및 최적화 절차는 산업용 팬 및 펌프 모터뿐 아니라 향후 동기 전동기를 사용하는 다양한 응용에서 희토류 의존도와 가격 변동 리스크를 낮추기 위한 구조적 옵션으로 활용 가능할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 초 록 i
• 목 차 ii
• 표 목 차 iii
• 그 림 목 차 iv
• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목표 1
• 1.2. 연구 범위 및 논문 구성 5
• 제 2장 동기 전동기의 전자기적 특성 9
• 2.1. 동기 전동기의 전자기적 특성 비교 10
• 2.2. 영구자석의 감자에 따른 동기 전동기의 성능 검토 19
• 제 3장 이중 스테이지 회전자형 동기 전동기 제안 26
• 3.1. DSR-SM의 구조 및 개념 27
• 3.2. DSR-SM의 설계 프로세스 제안 31
• 제 4장 영구자석 성능 저하 시 출력 강건성 향상을 위한 DSR-SM의 설계 35
• 4.1. DSR-PMSM의 설계 프로세스 기반 설계 36
• 4.1.1. IPMSM 및 DSR-PMa-SynRM 설계 36
• 4.1.2. DSR-PMSM과 기존 IPMSM 및 PMa-SynRM의 전자기적 성능 비교 43
• 4.2. DSR-PMSM과 기존 IPMSM 및 PMa-SynRM의 영구자석 성능 저하에 따른 출력 강건 특성 비교 51
• 제 5장 DSR-SM 성능 개선과 DSR-SynRM의 설계 및 비교 59
• 5.1. DSR-SM의 기계적 중심 보정을 통한 전류 위상각 정렬 60
• 5.2. 효율 및 역률 개선을 위한 DSR-SynRM의 설계 78
• 5.3. 축방향 스테이지 구성에 따른 특성 분석 93
• 5.4. 기존 PMSM 및 DSR-PMSM, DSR-SynRM의 성능 비교 103
• 제 6장 결론 112
• 6.1. 결론 112
• 6.2. 향후 계획 115
• 참고문헌 117
• Abstract 126
• 감사의 글 131