토폴로지 최적화 기반 하이브리드 전기자동차 구동용 매입형 영구자석 동기전동기 최적 설계 = Optimal Design of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for HEV based on Topology Optimization

국문 초록 (Abstract)

최근 전세계적으로 기후 변화의 심각성이 높아지고 있어, 전 세계 자동차 시장은 탄소배출 저감을 위하여, 전기자동차(Electric vehicle, EV) 보급을 비 롯한 충전 인프라 구축 등 많은 노력을 쏟고 있다. 그러나 근래에 와서 EV 시장에 캐즘 현상이 나타나면서 EV에 대한 보급률이 줄고 시장이 정체되기 시작했다. 전 세계 EV 시장은 이러한 캐즘 현상 극복을 위해 하이브리드 전 기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)를 주력상품으로 시장을 키워 나가 기 시작했다. HEV는 내연기관(Internal Combustion Engine, ICE)와 전동기 를 병렬적으로 구동하는 자동차로, HEV에 탑재되는 전동기는 구동 시스템 의 에너지 효율 증대를 위해 높은 토크 밀도와 출력 밀도를 요구한다. 이러 한 요구를 충족하기 위해 HEV 구동용 전동기는 높은 출력을 가지는 전동기 인 IPMSMS이 주로 사용된다. HEV 구동용 전동기의 토크 리플은 소음과 진동을 유발하여, 운전자에게 불편함을 유발하기 때문에, 우수한 평균 토크 성능을 가지면서 토크 리플을 저감 시키는 설계가 중요하다. 본 논문은 HEV 구동용 IPMSM의 토크 리플을 저감하면서, 우수한 평균 토크를 확보하는 최적 설계를 목표로 한다. HEV 구동용 전동기는 이를 구 동 시키는 배터리와 ICE가 같이 탑재되기 때문에, 크기와 형상에 제약이 있 다. 이러한 크기와 형상의 제약으로 인해 모터의 회전자 영역이 좁아, 형상 변화에 제약이 있다. 따라서 다양한 형상 검토를 통한 성능 개선을 위해 형 상 변수를 이용한 파라미터 최적화가 아닌 형상 자체를 변화시켜 최적화하 는 토폴로지 최적화 기법을 사용하였다. 본 논문에서는 HEV 구동용 IPMSM의 회전자 형상을 개선하기 위해, 대표적인 최적화 기법인 정규 가우 스 네트워크(Normalized Gaussian network, NGnet)을 토폴로지 기법으로 선 정하였다. 토폴로지 최적화 시 자유로운 형상 결정으로 인해, 불안정한 형상 이 도출되거나 기구적 성능을 악화시키는 방향으로 최적화가 이루어질 수 있다. 따라서 설계 영역별 자속 방벽이 생기는 개수를 제한하는 방법과 불안 정한 형상을 제거하는 후처리 기법을 제안하여, 우수한 성능을 가지는 형상 이 도출되는 토폴로지 최적화 기법을 제안하였다. 해당 토폴로지 기법과 다 목적 최적화 알고리즘을 결합한 다목적 토폴로지 기반 최적 설계 알고리즘 을 제안하였으며, 우수한 평균 토크 성능을 내면서 토크 리플을 저감 시키는 설계안을 도출하였다. 이후 초기 설계안과 비교 검증을 통해 알고리즘의 성 능을 입증하였다. 본 연구의 성과는 협소한 영역에서 형상 변수를 쉽게 변경할 수 없는 전 기기기의 최적 설계에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iii
• 그림 목차 iv
• 표 목차 vi
• 기호 및 약어 설명 vii
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목표 1
• 1.2 논문 구성 5
• 제 2 장 매입형 영구자석 동기 전동기 이론 6
• 2.1 영구자석 동기 전동기의 개요 6
• 2.2 영구자석 동기 전동기의 특성 방정식 8
• 2.3 유한 요소 해석을 이용한 IPMSM 해석 14
• 제 3 장 다목적 토폴로지 기반 최적 설계를 위한 연구 17
• 3.1 토폴로지 최적화 기법 17
• 3.1.1 정규 가우스 네트워크 18
• 3.2 제안하는 최적화 기법 23
• 3.2.1 개선된 정규 가우스 네트워크 23
• 3.2.2 다중 목적 최적화 알고리즘 31
• 3.2.3 제안된 다중 목적 토폴로지 기반 최적 설계 알고리즘 33
• 제 4 장 HEV 구동용 IPMSM 최적 설계 35
• 4.1 HEV 구동용 IPMSM의 초기 설계 35
• 4.1.1 극 수 슬롯 수 선정 35
• 4.1.2 설계 제원 및 요구 조건 36
• 4.3 MEATO를 이용한 HEV 구동용 IPMSM 다목적 최적 설계 39
• 4.3.1 최적 설계를 위한 목적함수 및 설계변수 선정 39
• 4.3.2 MEATO를 이용한 다목적 최적 설계 42
• 제 5 장 결론 50