Analytical Modeling and Electromagnetic Analysis of a Post-Assembly Permanent Magnet Magnetization Yoke = 조립 후 영구자석 자화 요크의 해석적 모델링 및 전자기 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Post-assembly magnetization is widely used in permanent magnet synchronous machines （PMSMs） because it reduces assembly difficulties and safety issues associated with pre-magnetized rotors. However, the transient magnetization process involves nonlinear electromagnetic phenomena such as magnetic saturation, eddy-current diffusion, and time-varying current excitation, making accurate magnetization prediction computationally expensive when using conventional full three-dimensional finite element analysis （3D FEA）.
This thesis presents an analytical and electromagnetic analysis framework for a post-assembly permanent magnet magnetization yoke under transient excitation conditions. An analytical RLC discharge model is developed to predict the transient current response generated by capacitor-bank discharge through the magnetizing coil. The analytical model is validated using MATLAB/Simulink and two-dimensional finite element analysis （2D FEA） for multiple coil-turn configurations. A permeance-based inductance correction method is also introduced to improve transient current prediction by accounting for non-uniform magnetic field distribution and fringing effects inside the coil slot.
Furthermore, three-dimensional transient magnetization analyses are performed to evaluate the magnetization ratio characteristics under various coil-turn configurations and operating conditions. A proposed analytical-assisted magnetization prediction method is developed by combining analytically estimated peak current values with finite element magnetic field analysis and magnetic field dependency characteristics of the permanent magnet material. The proposed method significantly reduces computational time compared with conventional full transient 3D FEA while maintaining high prediction accuracy.
The results demonstrate that the proposed framework predicts magnetization ratios with less than 1.5% deviation from conventional transient 3D finite element analysis while achieving magnetization ratios above 99% for all investigated coil-turn configurations. In addition, the proposed approach reduces computational time from several hours to only a few minutes, making it suitable for efficient design optimization and practical industrial magnetization analysis.

국문 초록 (Abstract)

조립 후 자화（Post-assembly Magnetization）는 사전 자화된 회전자（Pre-magnetized Rotor） 사용 시 발생하는 조립상의 어려움과 안전 문제를 줄일 수 있기 때문에 영구자석 동기전동기（Permanent Magnet Synchronous Machines, PMSMs）에서 널리 사용되고 있다. 그러나 과도 자화 과정은 자기 포화（Magnetic Saturation）, 와전류 확산（Eddy-Current Diffusion）, 그리고 시간에 따라 변화하는 전류 여기（Time-Varying Current Excitation）와 같은 비선형 전자기 현상을 수반하므로, 기존의 전（全） 3차원 유한요소해석（3D Finite Element Analysis, 3D FEA）을 이용한 정확한 자화 특성 예측에는 매우 높은 계산 비용이 요구된다.
본 학위논문에서는 과도 여기 조건에서 동작하는 조립 후 영구자석 자화 요크（Post-assembly Permanent Magnet Magnetization Yoke）를 대상으로 해석적 및 전자기적 분석 프레임워크를 제안한다. 커패시터 뱅크（Capacitor Bank）의 방전 전류가 자화 코일을 통해 흐를 때 발생하는 과도 전류 응답을 예측하기 위하여 해석적 RLC 방전 모델을 개발하였다. 또한 개발된 해석 모델은 다양한 코일 권선 수（Turn） 조건에 대하여 MATLAB/Simulink 및 2차원 유한요소해석（2D Finite Element Analysis, 2D FEA）을 통해 검증되었다. 아울러 코일 슬롯 내부의 비균일한 자기장 분포와 프린징 효과（Fringing Effect）를 고려하기 위한 퍼미언스（Permeance） 기반 인덕턴스 보정 기법을 제안하여 과도 전류 예측 정확도를 향상시켰다.
또한 다양한 코일 권선 수 조건에 대하여 자화율（Magnetization Ratio, MR） 특성을 평가하기 위해 3차원 과도 자화 해석을 수행하였다. 해석적으로 추정된 최대 전류값과 유한요소 자기장 해석 결과, 그리고 영구자석 재료의 자기장 의존 특성을 결합한 해석 기반 자화 예측 기법（Analytical-Assisted Magnetization Prediction Method）을 제안하였다. 제안된 방법은 기존의 전 과도 3차원 유한요소해석 대비 높은 예측 정확도를 유지하면서도 계산 시간을 크게 단축할 수 있음을 확인하였다.
해석 결과, 제안된 프레임워크는 모든 코일 권선 수 조건에서 99% 이상의 자화율을 달성하였으며, 기존의 전 과도 3차원 유한요소해석 결과와 비교하여 1.5% 이하의 오차를 나타냈다. 또한 제안된 방법은 계산 시간을 수 시간 수준에서 수 분 이내로 단축함으로써 효율적인 설계 최적화와 산업 현장에서의 실용적인 자화 해석에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1. Research Challenges and Objectives in PM Magnetization 1
• 2. Magnetic Saturation and Transient Field Diffusion Effects 2
• 3. Research Motivation and Contributions 2
• II. Analytical Modeling Framework 5
• 1. Analytical Modeling of second order differential equation 5
• 2. Peak Current Estimation 7
• 3. Numerical Validation Using Analytical and MATLAB responses 8
• 4. Coil Resistance Calculation for Magnetizing Yoke 11
• III. Electromagnetic Modeling and Current Analysis 15
• 1. 2D Finite Element Analysis of Magnetization Yoke 15
• 2. Current Profile Analysis for Different Coil Turns 17
• 3. Inductance Characteristics of the Magnetizing Yoke 19
• 4. Permeance-Based Inductance Correction Method 20
• 5. Analytical Modeling of Transient Current Profile 25
• 6. Comparison Between Analytical and FEA Results 27
• IV. Magnetization Ratio Analysis 31
• 1. Conventional 3D PM Magnetization Analysis 31
• 2. Proposed Magnetization Analysis Method 39
• 3. Magnetic Field Dependency of PM Material 40
• 4. Comparison Between Conventional and Proposed Methods 50
• V. Conclusion 52
• 1. Summary and Conclusions 52
• 2. Future Work 53
• References 54
• Abstract 56