유도전동기 운전제어로직을 고려한 설계특성 및 전압원 결합해석 연구

안지현 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

인버터 구동 유도전동기는 인가전압과 주파수를 제어 할 수 있어 변속 운전이 요구되는 시스템에서 속도변화나 부하변동에 대해 응답성이 매우 빠르고 고속 운전특성이 우수하여 넓은 운전영역을 확보할 수 있다. 이러한 인버터 구동 유도전동기의 제어방식은 V/f 제어, 슬립주파수 제어, 벡터제어 방식이 있으며 설계 방법으로는 전류원을 이용한 설계법과 전압원을 이용하는 설계법이 있다. 그러나 전류원을 이용한 설계 시 토크-슬립주파수 그래프와 전압원 이용한 설계 시 토크-속도 그래프의 파형이 유사한 파형이지만 설계점이 달라 논란이 발생하였다. 따라서 전류원과 전압원을 이용한 유도전동기 설계에 대한 연구가 필요하게 되었다. 본 논문에서는 인버터 구동 유도전동기의 운전제어로직을 고려하여 유도전동기의 전류원 설계특성과 전압원 결합해석을 통해 전류원 설계의 적합성에 대해 검증하였다. 전류원을 이용한 설계 시 동일 토크에서 운전제어로직인 슬립주파수 제어와 벡터 제어와 전압과 전류 제한조건을 고려하여 설계점을 선정하고 설계 및 유한요소법을 통한 해석을 수행하였다 또한, 유도전동기의 일반적인 전압원 설계 및 유한요소법을 해석을 통해 전류원과 자속분포, 성능특성, 손실 등 결과를 비교 분석하였다.

신경망 대리모델 기반 NSGA-II의 개발과 EV구동용 동기 릴럭턴스 전동기의 다목적 최적 설계

차주경 성균관대학교 일반대학원 2021 국내석사

본 연구에서는 신경망 대리모델 기반 NSGA-II 의 개발과 개발한 알고리즘을 바탕으로 초소형 EV 구동용 동기 릴럭턴스 전동기의 다목적 최적 설계를 진행하였다. 동기 릴럭턴스 전동기는 유도 전동기 대비 높은 효율을 가지면서 영구자석이나 도체바를 포함하지 않아 가격이 저렴하다. 하지만 낮은 출력 밀도와 토크 등이 단점으로 작용하기 때문에 형상의 최적 설계를 통한 출력 향상은 필수적이다. 또한 출력과 효율을 포함한 다양한 목적함수들을 동시에 만족시키기 위해서 다목적 최적화 알고리즘이 필수적이다. 본 연구에서는 인공 신경망을 도입하여 전동기의 설계 변수와 목적함수 사이의 관계를 표현하는 대리모델을 구성하였다. 그리고 신경망 대리모델을 기존 전동기 최적설계에 많이 사용되는 NSGA(Nondominated sorting genetic algorithm)-II 에 결합하여 효율적인 다목적 최적화 알고리즘을 개발하였다. 제안한 알고리즘은 매 세대가 끝날 때마다 최적화 과정 중에 누적되는 데이터를 바탕으로 신경망의 학습을 진행한다. 그리고 학습한 신경망 내에서 NSGA-II 를 시행하여 신경망의 Pareto front 를 도출한다. 신경망에서 도출한 해와 기존의 NSGA-II 를 기반으로 Non-dominated sorting 을 시행하여 신경망의 정확도를 계산한다. 그리고 이를 바탕으로 다음 offspring 을 생성할 때 신경망에서 도출된 해를 얼마나 포함할지 결정한다. 이러한 방법을 통하여 신경망 대리모델의 적합도가 높을 경우 신경망에서 많은 해를 생성하고 적합도가 낮은 경우 NSGAII 를 통하여 해를 생성할 수 있다. 알고리즘을 검증하기 위하여 ZDT1, ZDT2, ZDT3, SCH 시험함수를 통하여 알고리즘의 성능을 기존의 NSGA-II 알고리즘과 비교하였다. 최종적으로 6.6kW 급 초소형 EV 구동용 동기 릴럭턴스 전동기의 다목적 최적화를 진행하였다. 다목적 최적화를 통하여 목적함수를 만족하는 전동기 형상을 도출하였으며 최종 모델을 바탕으로 전자계 해석과 응력 해석을 진행하였다. In this study, neural network-based NSGA-II is proposed and synchronous reluctance motor(SynRM) for the micro EV is optimized based on the proposed algorithm. The SynRM has higher efficiency compared to the induction motor. And it is advantageous in terms of price since SynRM does not include the conductor bar or permanent magnet. However, for SynRM to be used as a traction motor of EV, it must meet the specification of high-power density and high torque density. Therefore, the optimization of SynRM is essential. Since it must meet multiple standards such as output and efficiency, multi-objective optimization is required. In this study, the surrogate model is constructed with the neural network to express the relationship of design parameters and objective function. And the neural network surrogate model is applied to NSGA (Non-dominated sorting genetic algorithm)-II which is a widely used algorithm for the optimal design of the motor. This neural network-based NSGA-II makes the optimization process efficient. The proposed optimization algorithm trains the neural network with the data accumulated during the optimization process. And the NSGA-II searches the Pareto front inside the trained neural network. These solutions from the surrogate model occupy a specific amount of the offspring and the rest of the offspring is created using conventional NSGA-II. After the non-dominated sorting, the reliability of the neural network is calculated, and the number of offspring created from the neural network is updated considering the reliability. Using the reliability, the intervention of the neural network can be adjusted according to the fitness of the neural network. The proposed algorithm is validated with ZDT1, ZDT2, ZDT3, and SCH compared to conventional NSGAII. In conclusion, 6.6 kW SynRM for traction of micro EV is optimized with the proposed optimization algorithm. The optimal design of SynRM is decided with multi-objective optimization. And the optimal model is validated using stress analysis.

베어링 방전 특성을 고려한 유냉식 EV 구동모터의 축 전압 등가 모델 개발

김찬호 성균관대학교 일반대학원 2023 국내박사

본 논문에서는 유냉식 EV 구동모터의 축 전압 해석을 위하여 유냉시스템을 고려한 모터 내부 커패시턴스 등가회로를 제안하였으며, 등각사상법과 용량성 영역 분해법을 이용하여 유냉식 EV 구동모터 내부 커패시턴스 계산 방법과 축 전압 특성에 대해서 연구하였다. 또한, 통계적 기법을 이용하여 시험데이터 기반 베어링 방전 모델을 구축하여 베어링 방전 현상을 구현하고, 그 특성에 대해서 연구하였다. 먼저, 모터 내부에서 발생하는 주요 커패시턴스를 정확하게 계산하기 위하여 모터 내부의 도전체들 사이에서 발생하는 커패시턴스들을 분할하여 해석하는 용량성 영역 분해 방법을 이용하여 분석하고 모터 내부의 커패시턴스를 수식화하였다. 특히, 고정자의 슬롯 구조에서 발생하는 전기장의 왜곡 현상인 프린징 효과와 더불어 전동기 내부의 주요 도전체 파트인 고정자, 회전자 그리고 권선 사이에서 발생하는 전하공유효과를 고려하여 모터 내부 커패시턴스 계산방법에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 제안된 모터 내부 커패시턴스 계산방법을 이용하여 수냉식 EV 구동모터의 주요 커패시턴스를 계산하였으며, 계산된 결과를 FEM 해석 결과와 비교분석하여 제안된 용량성 영역 분해법을 이용한 모터 내부 커패시턴스 계산방법의 유효성을 검증하였다. 다음으로, 전기자동차 구동모터의 열적 성능을 향상시키기 위하여 적용된 유냉시스템에 대한 모터 내부 커패시턴스 등가회로 구축 방법과 커패시턴스 계산 방법을 제안하였다. 제안된 유냉시스템을 고려한 모터 내부 커패시턴스 계산 방법을 이용하여 160kW급 유냉식 EV 구동모터의 냉각 오일 레벨에 따른 커패시턴스 특성을 분석하고 축 전압 해석을 수행하였다. 또한, 용량성 영역 분해법을 이용한 모터 내부 커패시턴스 계산의 정확성을 향상시키고자 등각사상법을 이용하여 구동모터의 원통형 구조를 용량성 영역 분해법을 적용하기 쉬운 평면으로 사상하여 계산하는 방법을 제안하였다. 제안된 등각사상법과 용량성 영역 분해법을 이용한 커패시턴스 계산방법을 160kW급 구동모터에 적용하여 내부 커패시턴스를 계산하였으며, 계산된 결과를 FEM 해석 결과와 비교하여 그 정합성을 검증하였다. 마지막으로, EV 구동모터의 축 전압에 의한 베어링 방전현상을 구현할 수 있는 베어링 방전 모델에 대한 연구를 수행하였다. 베어링 방전 모델은 기존 연구와 축 전압 시험데이터를 기반으로 베어링 방전 현상을 통계적 기법을 통하여 구현하였다. 이러한 베어링 방전 모델의 검증을 위하여 유냉식 160kW급 EV 구동모터용 IPMSM을 제작하고 축 전압 시험을 수행하였으며, 베어링 방전 전압의 확률밀도분포 비교를 통해서 제안된 베어링 방전 모델의 유효성을 검증하였다. This Paper proposed a motor internal capacitance equivalent circuit considering an oil-cooled system to analyze the shaft voltage of an oil-cooled EV propulsion motor. In addition, the method of calculating the internal capacitance of the oil-cooled EV propulsion motor and the shaft voltage characteristics were studied using the conformal mapping and the capacitive section decomposition method. Thereafter, a bearing discharge phenomenon was implemented by constructing an experimental data-based bearing discharge model using a statistical technique, and its characteristics were studied. First, the capacitance inside the motor was analyzed using a capacitive section decomposition method that divides and analyzes the capacitance between the conductors inside the motor to accurately calculate the major capacitance inside the motor, and the motor’s internal capacitance equation was derived. In particular, the method of calculating the capacitance inside the motor was studied by considering the fringing effect, which is a distortion of the electric field in the slot structure of the stator, and the charge sharing effect between the stator, rotor, and winding. In addition, the major capacitance of the water-cooled EV propulsion motor was calculated using the proposed motor internal capacitance calculation method. The calculated results were compared with FEM analysis results to verify the validity of the motor’s internal capacitance calculation method using the proposed capacitance decomposition method. Second, a motor internal capacitance equivalent circuit method and a capacitance calculation method for an oil-cooled system of electric propulsion motors were proposed. The capacitance characteristics according to the cooling oil level of the 160kW oil-cooled EV propulsion motor were analyzed using the proposed motor internal capacitance calculation method considering the oil cooling system and shaft voltage analysis was performed. Third, the conformal mapping method was applied to the proposed calculation method to improve the accuracy of the calculation method of the internal capacitance of the electric motor. This method is calculated by mapping the cylindrical structure of the propulsion motor to a plane that is easy to apply the capacitive section decomposition method. The accuracy of the calculation results of the internal capacitance of the 160kW motor using the proposed conformal mapping method and the capacitive section decomposition method was improved. The calculated results were compared with the FEM results. Finally, a bearing discharge model was developed to implement the bearing discharge phenomenon caused by the shaft voltage of the EV propulsion motor. The bearing discharge model has been implemented through statistical techniques based on the experimental data of shaft voltage. To verify the bearing discharge model, an IPMSM for an oil-cooled 160kW EV propulsion motor was manufactured, and a shaft voltage test was performed. As a result, the reliability of the bearing discharge model was verified by comparing the probability density distribution of the bearing discharge voltage.

IPMSM의 수치해석 기반 기생 임피던스 네트워크 등가모델 구축 및 축 전압 강건설계

김진석 성균관대학교 일반대학원 2020 국내박사

본 논문은 영구자석 매입형 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 축 전압 및 공통모드 전류를 설계단계에서 예측하기 위해 기생 등가 커패시턴스(Parasitic Equivalent Capacitance, PEC)기법과 전동기 내부 기생 임피던스 네트워크 등가모델을 제안한다. 나아가 제안한 기법들을 토대로 중형 전기버스 구동용 IPMSM의 축 전압에 대한 강건설계를 진행하기위해 다음과 같은 연구를 수행한다. 먼저, 축 전압의 소스원인 공통모드 전압에 대하여 운전점, 제어 기법, 스위칭 주파수 별 비교 분석한다. 나아가, 축 전압을 정확하게 예측하기 위해, 전동기 내부에 존재하는 기생 커패시턴스에 대한 정확한 산출 기법에 대하여 연구한다. 실질적으로, 3 차원의 유한요소 해석 기법(Finite Element Method, FEM)을 통해 전동기 내부 기생 임피던스를 계산하는 수치해석적 기법(Numerical method)이 존재하지만, 해석하기 위해 요구되는 시간적 비용함수가 크며, 전동기의 크기 및 메쉬(Mesh)조건에 따른 해석을 위해 컴퓨터의 높은 성능이 요구되고 있다. 따라서, 전동기 내부 기생 커패시턴스가 존재하는 파트에 따라 등가 기생 커패시턴스를 정의하며, 실질적으로 발생되는 전계의 프린징 효과(Fringing effect) 및 도체 간 간섭현상 등을 수식적으로 고려한 PEC 기법을 제안하여 기존 수치해석 기법대비 해석 조건에 대한 단점을 보완하고 개선한다. 나아가, PEC 기법을 통해 추출된 기생 커패시턴스를 사용하여, 전동기 내부 임피던스 네트워크 등가회로를 구축한다. 제안한 기법의 당위성을 검증을 위해, 공작기계 구동용 IPMSM의 주파수에 따른 전동기의 임피던스 응답특성과 축 전압 실험을 진행한다. 마지막으로, PEC 기법과 기생 임피던스 네트워크 등가모델을 이용하여 80kW급 중형 전기버스 구동용 IPMSM의 설계 단계에서, 축 전압에 대한 강건성 확보를 위한 설계를 진행한다. 80kW급 IPMSM의 기초 모델은 운전 성능에 대한 제한치를 만족하기위해 개인 집단 최적화 알고리즘(Particle Swarm Optimization, PSO)을 통하여 설계되기 때문에 전계적 강건성이 확보되어야 하는 상황이다. 따라서, IPMSM의 내경 외경 그리고 고정자 슈의 길이 및 슬롯 깊이에 대하여 변수를 설정하여 축 전압 저감 설계를 진행한다. 최종적으로, 전동기의 전자계적 운전성능을 만족하며, 축 전압이 최소로 발생되는 형상을 선정하였으며, 도출된 최종 설계안을 기반으로 전동기를 제작한다. 아울러, 제작된 전동기를 전문 시험 기관을 통해 성능 실험 및 축 전압 실험을 진행하며, 제안한 PEC 기법과 기생 임피던스 네트워크 등가모델이 공학적으로 전동기 설계 단계에서 가지는 유효성을 검증하였다. In this paper, we propose parasitic equivalent capacitance (PEC) and equivalent parasitic impedance network model to predict the shaft voltage and common mode current of the permanent magnet synchronous motor (IPMSM) at its design stage. Furthermore, the proposed method is performed to carry out robust design of IPMSM for driving medium electric bus considering the shaft voltage. First, the common mode voltage, which is the source of the shaft voltage, is analyzed and compared considering operating point, control technique, and switching frequency. Furthermore, to predict the shaft voltage accurately, the precise calculation technique for parasitic capacitance of the motor is studied. Although numerical method for calculating the parasitic impedance of the motor is available based on the 3D finite element method (FEM), it requires high time cost function. Moreover, requisite computing power is highly affected by given mesh condition and size of the motor. To improve the accuracy of the conventional method, the PEC proposed in this paper, considering the equivalent internal parasitic capacitance for respective parts that takes fringing effect and interference between the conductors into account numerically. Therefore, the equivalent internal parasitic impedance network of the motor is determined using the parasitic capacitance that is derived using the proposed PEC. To verify the validity of the proposed method, analysis on the impedance response characteristics and experiment for the shaft voltage is conducted on IPMSM for spindle motor application. Finally, the proposed PEC method and parasitic impedance network equivalent model is utilized to design 80kW IPMSM propulsion motor for electric bus, to achieve robustness in terms of shaft voltage. The base 80kW IPMSM model is designed using particle swarm optimization algorithm to satisfy both requisite driving performance characteristics and the robustness regarding the motor shaft voltage. Therefore, the design parameters regarding the inner and outer radius of the motor, stator shoe, and slot depth are selected to reduce the shaft voltage. The prototype of the designed motor is assembled and tested for its performance characteristics and shaft voltage. Based on the results, the proposed PEC method and equivalent parasitic impedance network model is verified.

주행거리 연장형 전기버스용 IPMSG 최적 설계 및 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석

손병관 성균관대학교 일반대학원 2019 국내박사

본 논문에서는 주행거리 연장형 전기버스의 국산화 개발을 위한 IPMSG 최적 설계 및 성능 분석을 수행하였다. 전기버스 탑재 공간으로 인해 제한된 사이즈 내에서도 IPMSG가 높은 수준의 효율을 유지하고, 장시간 발전 후에도 열적 강건성을 보장하도록 설계하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다. 우선, 제한된 사이즈 내에서 IPMSG의 효율 특성을 최대화하기 위해 효율 최적 설계에 관한 연구를 수행하고, 최적 설계를 위한 지능형 최적화 알고리즘을 개발하였다. 개발 알고리즘은 목적함수 계산 비용이 큰 IPMSG 설계 문제의 특수성에 중점을 두어, 기계학습의 데이터 분류 기법인 커널 서포트 벡터 머신 적용을 통해 기존 GA, PSO의 단점을 보완하고 개선하였다. 개발 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 시험 함수를 이용하여 기존 알고리즘 대비 성능이 개선되었음을 확인하였으며, 성능이 가장 우수한 APSO-K 알고리즘을 효율 최적 설계를 위한 최적화 알고리즘으로 선정하였다. 다음으로, 설계 단계에서 IPMSG의 성능 예측 정확성을 향상시키고 열적 강건성을 검토하기 위해 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석 기법을 연구하였다. 이전의 연구를 기반으로 인버터 PWM 고조파를 고려한 전자계 손실 예측 모델을 구현하였으며, 전산 유체역학에 기반한 복합 열전달 해석과 전기기기 열 해석 모델링 기법 등을 연구하여 전자계 손실을 열원으로 인가한 온도 해석 모델을 구현하였다. 이를 통해 파트별 최종 포화 온도를 예측하고 열적 강건성을 검토할 수 있도록 하였으며, 구현한 해석 모델들은 기존 시험 결과와 비교를 통해 정합성을 검증하였다. 마지막으로, APSO-K 알고리즘을 적용하여 RE-EB용 연속 정격 60kW급 IPMSG 효율 최적 설계를 수행하였다. 또한, 설계된 IPMSG 최적 모델에 대해 전자계/열계 결합 수치해석을 통해 전자계 성능을 분석하고 파트별 포화 온도를 고려한 열적 강건성을 검토하였다. 설계된 IPMSG의 성능을 확인하고 제안한 기법들의 유효성을 검증하기 위해 시험용 IPMSG를 제작하였으며, 다양한 시험을 통해 IPMSG의 성능 및 해석 정합성을 확인하였다.

고조파 특성을 고려한 동기형 릴럭턴스 전동기의 고효율 최적설계

노시헌 성균관대학교 일반대학원 2022 국내석사

본 논문에서는 초소형 전기차 구동용 동기형 릴럭턴스 전동기의 고조파 특성을 고려한 고효율 최적설계를 수행하였다. 인버터의 스위칭에 의해 발생하는 고조파 성분에 대한 특성을 검토하고 이를 고려하여 설계할 수 있도록 다음과 같은 연구를 수행하였다. 차량 구동용 전동기를 동작시킬 때에는 일반적으로 Pulse Width Modulation (PWM) 기법을 기반으로 인버터를 통해 제어한다. PWM 전압은 DC 배터리와 반도체 소자의 스위칭에 의해 구현되기 때문에 구형파로 나타나며 스위칭 고조파 성분이 발생한다. 이러한 고조파 성분들은 다양한 전자계 특성에 영향을 끼치기 때문에 추가적인 고조파 손실이 발생하게 된다. 실 구동 조건을 고려한 해석을 하기 위해선 인버터 전류를 인가한 고정밀 전자계 해석이 필요하다. 전자계 해석을 위해선 일반적으로 유한요소법 (Finite Element Method, FEM)을 통해 도출한다. 인버터 전류를 반영한 FEM 해석 시 이상 전류원 해석 대비 스위칭 주파수 반영을 위한 해석 스텝 수 증가 및 수렴성 저하로 인한 오랜 해석 시간이 요구된다. 또한, 차량 구동용 모터는 다양한 운전점을 이용하여 운전하기 때문에 여려 운전점에서 높은 효율을 요구한다. 따라서, 이를 적용한 설계를 진행하게 되는 경우 많은 해석 비용이 요구되며 설계 단계에서 이러한 문제를 고려할 수 있는 프로세스 구축이 필요하다. 이러한 문제점 해결을 위하여 이상적인 정현파를 인가하였을 때와 인버터 전류를 인가하였을 때의 전자계 해석을 통한 고조파 손실의 특성 분석을 하였다. 다음으로 고조파 손실 특성을 적용한 고효율 최적 설계에 대한 연구를 하여 제안된 프로세스를 적용하여 초소형 전기차 구동용 동기형 릴럭턴스 전동기의 효율 개선을 위한 최적설계를 수행하고자 한다. 이를 반영하여 설계한 모델과 반영하지 않고 설계한 모델을 최대정격 운전점과 최대 속도 운전점에서 최적설계를 수행하였으며 인버터 스위칭에 의한 전자계 특성 분석을 통해 이를 반영한 설계의 필요성을 제시한다. This paper introduces a optimization method of synchronous reluctance motor for high efficiency considering harmonics characteristics. Harmonics that occurs by switching of the inverter has been analyzed to use the characteristics of these harmonics for designing the motor. Electric traction motors are generally driven by inverter using Pulse Width Modulation method. The voltage extracted from the inverter is a square wave because of the switching and DC battery voltage and generates switching harmonics. These harmonics cause diverse electromagnetic characteristics such as additional harmonic losses. Thus, electromagnetic analysis using these inverter current is necessary. Finite Element Method(FEM) has been widely applied for electromagnetic analysis. Furthermore, FEM using inverter current as input will require more computing time. Therefore, new process that improve this problem is required. To solve this problem, iron loss computed by analysis from ideal sinusoidal current source and inverter is compared. Next, by using the result of the study of harmonic losses is applied for high efficiency optimization of micro car. Optimal model drawn from optimization using method studied above and optimization without using method studied above has been compared by applying the maximum rated operation point and maximum speed operation point. Comparing these two optimized model, the necessity of this consideration is shown.

누적 데이터 기반 전역 simplex 최적화 알고리즘을 적용한 EV 구동용 전동기의 최적설계

한원석 성균관대학교 일반대학원 2019 국내박사

본 연구에서는 전동기의 최적설계를 위한 맞춤형 최적화 알고리즘의 개발 및 이를 통한 130kW급 EV 구동용 영구자석 동기전동기의 최적설계를 다루고 있다. 비선형 전자계 유한요소해석 (Finite Element Method, FEM) 기반 전동기 최적설계는 타 최적화 문제에 비해 1회의 계산에 요구되는 시간 (Computation Time)이 길고, 많은 지역최적해 (Local Optimum)를 가지는 특성을 가진다. 따라서 전동기 최적설계 맞춤형 최적화 알고리즘의 필수 요구 성능은 전혁 최적해 탐색 특성과 빠른 수렴 특성이라 할 수 있다. 본 연구에서는 본 저자가 개발한 전역 최적화 알고리즘인 전역 Simplex 최적화(Global Simplex Optimization, GSO) 알고리즘의 데이터 누적 특성을 강화하여 여러 최적해를 동시에 탐색할 수 있는 새로운 알고리즘을 제안하고자 한다. GSO는 최적해를 탐색하기 위해 기존에 존재하는 결정론적 최적화 기법인 Simplex 기법의 반사 연산자를 이용하며, 알고리즘의 수렴을 위해 각 세대 개체의 정보를 누적하여 저장하게 된다. 제안하는 알고리즘인 누적 데이터 기반 전역 Simplex 최적화(Cumulative Data based Global Simplex Optimization, CD-GSO) 알고리즘은 GSO가 반사 연산을 수행할 개체를 선택하는 단계에 기계 학습의 분류 기법 중 하나인 K 최근접 이웃(K Nearest Neighbor, KNN)을 이용하여 최적해에 가까운 개체와 먼 개체를 구분하여 구역을 나눈 뒤 나누어진 구역 내에서 각각 선택을 수행하고 반사를 진행하여 여러 최적해를 동시에 탐색할 수 있다는 장점이 있다. 개발한 알고리즘의 성능을 서로 다른 특징을 가지는 6개의 시험함수(Branin, Gold-stein Price, Rastrigin, Six-hump Camel Back, 3차원 Hartman, 6차원 Hartman function)를 통해 수학적으로 검증하였으며, 기존에 존재하는 GSO 알고리즘과 성능을 비교하여 제안하는 알고리즘의 우수성을 확인하였다. 마지막으로, 본 논문의 최적설계 대상 모델인 130kW급 EV 구동용 매입형 영구자석 구동모터에 제안하는 알고리즘을 적용하여 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 통해 도출된 설계안의 설계 정합성의 검토를 위해 설계안을 기반으로 실물 전동기를 제작하였으며, 제작된 모터를 공인 시험기관을 통해 성능시험을 진행하였다. 시험 결과를 최적설계 모델의 전자계 해석결과와 비교함으로써 제안된 알고리즘이 실제 공학 영역에서 가지는 유효성을 검증하였다.

Unbalanced magnetic pull을 고려한 유도전동기의 기계적 피로수명추정 연구

김윤환 성균관대학교 일반대학원 2021 국내박사

본 논문에서는 Unbalanced Magnetic Pull(UMP)를 고려한 고속유도전동기의 기계적 피로수명 추정 연구를 수행하였다. 최근 전동기 기술의 소형고속화 추세에 따라 개발되는 유도전동기도 고속화되는 추세이다. 유도전동기의 고속화에 따라 사용자는 효율 이상으로 신뢰성을 제품선택에 있어서 중요한 요소로 판단하고 있다. 유도전동기 회전자의 전기강판은 회전자의 회전 시 기계적인 힘으로부터 회전자 바를 지지하지만, 브릿지부에서 자속의 누설이 발생하여 전자기적 특성에 영향을 주기 때문에 회전자 설계 시 기계적 강도와 전자기적 성능을 모두 고려하여 회전자의 형상을 설계하는 것이 중요하다. 전동기가 고속화 됨에 따라 기계적 신뢰성을 확보하는 조건 내에서의 설계가 중요시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고속유도전동기에 대하여 기존의 연구에서는 적용되지 않는 UMP를 고려하여 회전자 및 베어링에 대하여 수명을 추정하는 방법을 제안하고자 한다. 전자계-구조계 결합해석을 기반하여 최적화설계를 수행함에 있어 응력 혹은 안전율에 대한 제약조건을 명확히 설정할 필요가 있다. 기존의 유도전동기 회전자 설계방법에서는 유도전동기의 Bar Opening Depth(BOD)를 형상변수에서 제외하고 제작상의 경험에 의존하여 고정된 값으로 설정하고 그 외의 형상에 대하여 구조검토를 제외하고 전자계에 대한 최적설계를 수행하였다. 다른 설계 방법으로는 BOD를 형상변수로 설정시 특정한 안전율을 적용하여 전자계 및 구조계를 모두 고려하여 형상설계 방법이 제안되었으나 설정된 안전율에 대한 명확한 근거가 미흡하였다. 본 연구에서는 전자장 유한요소해석(Finite Element Method, FEM)을 이용하여 UMP를 계산하고 회전자 수명 및 베어링 수명에 영향을 주는 각각의 Force를 추출하는 방법을 제안하였다. 회전자 설계시 필요한 안전율 계산을 위하여 기존의 회전자에 대한 원심력만을 고려하는 방법 이외에 원심력 및 UMP를 고려하여 응력해석을 진행한 후 반복되는 피로하중으로 인하여 발생하는 변형의 요소를 제거하기 위하여 피로해석을 진행하였다. 일반적인 구조해석 관점에서 응력-변형율 곡선상 탄성역영에서 설계를 진행한다고 하더라도 전동기의 회전자는 정하중으로만 고려한 설계는 피로에 의한 변형이 발생할 수 있다. 따라서 회전자의 동하중요소를 고려하여 피로해석을 진행하고 수명을 예측하여 무한수명영역에서 회전자 설계가 가능한 방법론을 제시하였다. 제작시 적용되는 베어링의 사양을 사전 검토하여 설계단계에서 베어링 클리어런스에 의한 편심효과를 예측하고 UMP에 의한 동하중을 분석하여 회전자의 피로수명을 예측할 수 있도록 연구를 진행하였으며 반응표면이론을 적용하여 회전자 형상에 대한 최적설계를 수행하였다. 또한, 전동기 제작을 위하여 선정된 베어링 사양을 검토하고 설계단계에서 전동기 회전자 자중 및 회전자 편심에 의한 동하중 정보를 추출하여, 전동기에 적용되는 베어링의 수명을 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 기존의 정하중만을 고려한 베어링 수명예측과 편심에 의한 UMP을 반영하여 동하중을 포함한 수명예측결과를 비교하였다. 마지막으로, 설계결과를 반영하여 유도전동기를 제작하고, 제작된 전동기에 대한 시험평가를 수행하여 시험 결과를 설계의 결과물과 비교하였으며 적용된 베어링에 대한 가속 스트레스 시험을 진행하여, 개선된 계산법을 통하여 베어링 수명 추정의 정확성이 향상되었음을 검증하였다. In this paper, a study on estimating the mechanical fatigue life of an induction motor is performed considering the unbalanced magnetic pull (UMP). The main failure factors and reliability requirements of induction motors are analyzed through literature research, and the problems of rotor deformation and the bearing life estimation are judged to be important issues, and solutions to two problems are proposed. A method of calculating UMP in electromagnetic field by Finite Element Analysis (FEM) and extracting each force affecting the rotor life and bearing life are proposed. In order to calculate the appropriate stress required for rotor design, the existing method that considers only the centrifugal force on the rotor, the stress analysis is carried out considering centrifugal force and UMP. Fatigue analysis is carried out in consideration of UMP, which is the dynamic load factor of the rotor, and the lifespan is predicted, and a methodology to design the rotor in the infinite life span is presented. The electrical steel plate of the rotor of an induction motor supports the rotor bar from mechanical force during rotation of the rotor, but the leakage of magnetic flux from the bridge part affects the electromagnetic characteristics, so mechanical strength and electromagnetic performance when designing the rotor. It is important to design the shape of the rotor in consideration of UMP, and the optimal design is performed based on the electromagnetic and mechanical system coupling analysis for the high-speed induction motor. Through the optimization process, a shape that is structurally robust and has excellent efficiency and torque characteristics has been proposed. The study is conducted to predict UMP by the eccentricity effect due to bearing clearance at the design stage of the selection of bearings. The fatigue life is predicted of the rotor by analyzing dynamic loads. It is structurally safe if the fatigue life exists in the infinite life span. Based on the fatigue theory, the S-N curve for the metal material is analyzed for the fatigue analysis of the rotor, and the electrical steel plate and the rotor are 3D modeled, and structural robustness is verified through fatigue life analysis. In the design stage, an algorithm is developed to predict the life of bearings applied to motors. The previous method considered only static load, but in this study, a new life prediction method is proposed in consideration of dynamic load by UMP and bearing temperature. The UMP is calculated to account for the dynamic load. Also, a methodology is derived to predict the life change under various conditions, taking into account the ambient temperature of the bearings. Finally, in order to verify that the proposed optima design, an induction motor is manufactured and the motor is tested and evaluated in accordance with the latest international standard IEC 61800-9-2. According to the standard, the loss of the motor is measured at eight operating points and the measurement uncertainty is analyzed. Acceleration stress test is conducted on the applied bearing, and it is verified that the accuracy of bearing life estimation is improved through the improved algorithm. It is hoped that the results and methodology of this study will be helpful in research for improvement of motor reliability and failure analysis.

수치해석 기반 고효율 전력전달용 비접촉변압기 설계 및 특성해석

김광덕 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 논문은 비접촉식 전력 전달 시스템 중 하나인 고효율 전력전달용 비접촉 변압기 설계 및 특성해석을 보여준다. 비접촉 변압기는 기존의 전력선에 의한 전력 공급 대신 변압기의 자기 결합을 이용하여 전기적인 접촉점 없이 전력을 전달하게 된다. 이러한 시스템은 일반적인 변압기에 비해 큰 공극이 존재하며 이로 인해 결합 계수가 낮아 누설 인덕턴스가 증가하게 되어 전력 전달의 비효율성을 유발하게 된다. 따라서 본 논문은 효율을 고려한 이동식 비접촉 변압기의 적합한 공극 산정을 산정한다. 또한 누설 인덕턴스를 감소시키고, 스위칭 주파수에 변경을 하여 자화 인덕턴스를 보상하여 역률을 향상시키며, 코어 재질에 변경을 하여 고주파수에 대한 손실을 저감시켜 효율을 향상시키는 연구를 할 것이다. 또한 형상 연구를 통하여 비접촉 변압기의 사이즈와 중량을 절감하여 보다 다양한 분야에 사용 가능한 모델을 제시할 것이다.

매입형 영구자석 동기전동기의 토크 고조파 특성분석 및 토크리플 저감설계

이승호 성균관대학교 일반대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 매입형 영구자석 전동기의 토크고조파 특성 분석 및 토크리플 저감설계 방법에 대해 제안한다. 종래의 매입형 영구자석 전동기 설계는 구동 시스템에서의 동력성능 만족 및 연비효율 향상 등에 주안점을 두었다면, 최근에는 차량레벨의 상품성 특성과 직결되는 영향인자에 대한 개선에 많은 노력이 이루어지고 있다. 특히, 차량에 사용되는 전기 동력계 구동전동기의 소음특성과 관련한 사항은 기계적 요소 외에 근원적인 전자기력(Electromagnetic Force)에 기인하며, 이는 구동전동기의 회전자 토크리플(Torque Ripple)특성에 직결된다. 전동기의 소음 및 진동을 야기시키는 토크고조파의 성분은 전원에서 공급하는 시간고조파 성분과 전동기 형상에서 기인하는 공간고조파성분으로 나뉜다. 이 둘의 복합적인 상호작용으로 인하여, 전동기 구동시 회전자에서 토크리플이 발생하게 된다. 토크리플은 전동기 구동 시스템에서 소음 및 진동을 발생시키며, 시스템에서의 안정성에 영향을 미치기 때문에 이를 줄이기 위한 노력이 필요하다. 본 논문에서는 전동기에서 발생하는 토크리플의 발생원리 및 특성을 분석하고, 이를 설계 및 제어특성과 결부시켜 토크리플 저감설계를 시행하였다.