반경 방향 단부 효과를 고려한 축 방향 영구 자석 전동기의 등가 2차원 유한 요소 해석 모델에 관한 연구 = A Study on the Equivalent Two-dimensional Finite Element Analysis Model of an Axial Permanent Magnet Motor Considering Radial End Effects.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 축 방향 영구 자석 모터(AFPM)의 효율적인 설계 및 성능 분석을 위한 등가 2차원 유한 요소 해석(2-D FEA) 모델을 제안한다. 기존의 3차원 유한 요소 해석(3-D FEA)은 높은 계산 비용과 긴 해석 시간을 요구하는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해, 제안된 2-D FEA 모델은 계산 효율성을 극대화하면서도 전자기적 특성을 정확하게 예측한다. 특히, 2-D 모델에서는 간과되기 쉬운 반경 방향 끝 단부 효과를 효과적으로 고려하는 데 중점을 두었다.
이를 위해 본 논문에서는 실제 3차원 AFPM의 형상을 등가적인 2차원 선형 모델로 변환하는 방법을 제시한다. 특히 계산 시간과 정확도 간의 최적점을 찾기 위해, 모터를 2개, 4개, 6개, 8개, 10개의 segment로 분할하여 비교 분석을 수행하였다. 그 결과, 2개의 segment 모델이 계산 효율성 측면에서 가장 우수함을 확인하였다. 단순 segment 수 감소로 인한 정확도 저하를 보완하기 위해 본 논문에서 제안하는 핵심 기법인 상대 투자율 보정 기법을 적용하였다. 이 기법은 끝 단부 누설 자속을 정량적으로 반영하여, 2개 segment 모델이 10개 segment 모델보다 3-D FEA 결과에 더 근접한 정확도를 달성할 수 있도록 한다. 제안된 2-D FEA 모델의 유효성을 검증하기 위해, 시뮬레이션 결과를 3-D FEA 결과 및 실제 실험값과 비교하였다. 특히, 상대 투자율을 보정하지 않은 모델과 성능을 비교함으로써 제안된 보정 방법의 신뢰성을 확인하였다. 최종적으로 프로토타입 모터의 역기전력(Back-EMF) 시험을 통해 모델의 예측 정확도와 실용성을 최종 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes an equivalent two-dimensional finite element analysis (2-D FEA) model for the efficient design and performance analysis of axial permanent magnet motors (AFPMs). Conventional three-dimensional finite element analysis (3-D FEA) suffers from high computational costs and long analysis times. To overcome these limitations, the proposed 2-D FEA model accurately predicts electromagnetic characteristics while maximizing computational efficiency. In particular, it focuses on effectively accounting for radial end effects, which are often overlooked in 2-D models.
To achieve this, this paper presents a method for converting the geometry of an actual 3D AFPM into an equivalent two-dimensional linear model. To find an optimal balance between computational time and accuracy, the motor is divided into two, four, six, eight, and ten segments, and comparative analyses are performed. The results confirm that the two-segment model offers the best computational efficiency. To compensate for the accuracy degradation caused by the simple reduction in the number of segments, we applied the relative permeability correction technique, which is the core technique proposed in this paper. This technique quantitatively reflects the tip leakage flux, enabling the two-segment model to achieve an accuracy closer to the 3-D FEA results than the 10-segment model.
To verify the validity of the proposed 2-D FEA model, the simulation results were compared with the 3-D FEA results and actual experimental data. In particular, the reliability of the proposed correction method was verified by comparing its performance with that of a model without relative permeability correction. Finally, the prediction accuracy and practicality of the model were verified through back-EMF tests of a prototype motor.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 목표 3
• 3. 논문 구성 4
• Ⅱ. AFPMM 타입별 특성 분석 5
• 1. Radial Flux Motor와 Axial Flux Motor의 구조 및 구동 원리 비교 5
• 2. 토폴로지 별 비교 및 초기 모델 선정 7
• Ⅲ. 3차원 모델을 통한 등가 2차원 모델 설계 및 해석 10
• 1. 초기 모델의 3차원 유한요소해석 분석 10
• 2. segment 분할을 적용한 등가 2차원 모델 설계 11
• 3. 공기 영역 상대 투자율 적용을 통한 반경 방향의 단부 효과 보정 15
• Ⅳ. 전 부하 영역에 따른 성능 비교 및 분석 19
• 1. 특성 해석을 위한 이론적 배경 19
• 2. d-q축 등가 회로 및 전압 방정식 20
• 3. Inductance 및 영구자석 쇄교자속 산출 21
• 4. 특성해석을 통한 성능 비교 및 분석 23
• Ⅴ. 시험 결과 비교 및 분석 24
• 1. 무부하 역기전력 시험 결과와 해석 결과 비교 24
• 2. 연구 결과 요약 및 향후 연구 방향 26
• 참고문헌 27
• 영문초록 30