항공 모빌리티용 고속 축방향자속 영구자석 발전기의 기계적 설계 및 특성에 대한 연구 = A Study on the Mechanical Design and Characteristics of a High-Speed Axial Flux Permanent Magnet Generator for Urban Aerial Mobility

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, Urban Air Mobility(UAM) has emerged as a promising solution to urbanization and traffic congestion, driving the rapid expansion of the UAM market and the active development of electric propulsion systems. Hybrid electric propulsion systems, in particular, are seeing increased demand due to their potential to improve both flight range and energy efficiency. Within these systems, the generator serves as a critical component that converts mechanical power from a gas turbine engine into electrical power. Given the requirements for high-speed operation and high power density in aerospace applications, the rotor must be designed to be lightweight while maintaining sufficient mechanical strength.
This paper proposes a mechanical design and analytical procedure to ensure the structural stability of the rotor in an axial flux permanent magnet generator(AFPMG) for hybrid electric propulsion. First, the loads acting on the rotor and the resulting structural deformations and stresses are analytically derived. A 2D axisymmetric finite element analysis(FEA) is then performed to assess the effects of key geometric parameters on rotor deformation. Based on these findings, a baseline geometry meeting the target design specifications is established, and the structural adequacy of the final design model is validated through 3D FEA in terms of strength and stiffness. Finally, the reliability of the proposed analytical models and procedures is verified through drive tests on a manufactured prototype.

국문 초록 (Abstract)

최근 도시화와 교통 혼잡 문제를 해결하기 위한 대안으로 도심 항공 모빌리티(UAM) 기술과 시장이 빠르게 성장함에 따라 이에 대한 전기 추진 시스템의 개발이 활발하다. 특히, 하이브리드 전기 추진 시스템은 항속 거리와 에너지 효율을 동시에 개선할 수 있는 대안으로 수요가 상승하고 있다. 하이브리드 전기 추진 시스템의 구성 요소인 발전기는 가스터빈 엔진의 기계적 동력을 전력으로 변환하는 핵심 구성 요소이다. 항공용 발전기는 고속 운전이 가능하면서도 고비출력 특성이 요구됨에 따라, 발전기의 회전 부품인 회전자는 경량화와 함께 충분한 기계적 강도를 갖는 구조로 설계되어야 한다.
본 논문은 하이브리드 전기 추진 시스템용 축방향자속 영구자석 발전기의 회전자에 대해 구조적 안정성을 확보하기 위한 기계적 설계 및 해석적 분석 절차를 제안한다.
먼저, 회전자에 작용하는 하중에 대한 분석과 그에 따른 구조적 변형 및 응력에 대해 이론적으로 도출하였고, 2D 축대칭 유한요소해석을 통해 주요 형상 변수가 회전자의 변형에 미치는 영향을 개략적으로 평가하였다. 이를 기반으로, 목표 설계 사양에 적합한 기초 구조 모델을 도출하였으며, 최종 설계 모델에 대해서는 3D 유한요소해석을 통해 강도와 강성에 대한 구조적 적합성을 확인하였다. 최종적으로, 제작된 시제품에 대한 구동 시험을 통해 해석 모델과 절차에 대한 신뢰성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 및 방법 7
• 3. 논문 구성 7
• II. 축방향자속 영구자석 발전기 설계 사양 9
• 1. 발전기 출력 사양 및 토폴로지 결정 9
• 2. 회전자 구조 설계 사양 결정 12
• III. 회전자 구조적 특성 해석 16
• 1. 하중 정의 및 이론적 분석 16
• 2. FEA 해석적 분석 23
• 3. 회전자 기초 구조 모델 설계 28
• IV. 회전자 설계 및 평가 33
• 1. 최종 설계 모델의 형상 및 구조 34
• 2. 최종 설계 모델의 구조적 특성 분석 38
• 3. 회전체 동역학 해석 45
• 4. 시제품 제작 및 시험 검증 49
• V. 결론 55
• 참고문헌 57
• Abstract 61