[논문]자석 형상 최적화를 통한 축방향 이상 횡자속형 전동기의 토크 특성 향상에 관한 연구

안희태; 장건희

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.10.1003

자석 형상 최적화를 통한 축방향 이상 횡자속형 전동기의 토크 특성 향상에 관한 연구
Improvement of Torque Characteristics of a Rotatory Two-phase Transverse Flux Machine Optimizing the Shape of Rotor Pole 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.10 = no.151, 2009년, pp.1003 - 1011

안희태 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 장건희 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Transverse flux machine(TFM) has been developed to drive a machine of large input power at low-speed. However, it has complicated structure and large torque ripple due to its inherent structure. In this paper the characteristics of torque of a rotatory two-phase TFM are analyzed by using the 3-dimensional finite element method and optimal design. This research shows that one of the effective design variables is the skew angle of permanent magnet. The skew angles of permanent magnet are optimized by using a genetic algorithm. It also shows that the proposed optimal skew magnet not only increases average torque but also decreases torque ripple of a rotatory two-phase TFM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문은 자석 형상에 따라 발생하는 토크 특성을 3차원 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 또한 north Pole, SMC, south Pole이 연속적으로 존재하는 횡자속형 전동기의 고유한 특징을 이용하여 자석의 형상을 변형함으로써 설계 변수에 따라 출력 토크가 증가하고 토크 리플이 감소할 수 있음을 확인하였다.

제안 방법

각 상의 전류를 구속조건으로 주었으며, 회전자 설계변수의 상·하한치를 내재 제약조건으로 하여 최적의 횡자속형 전동기 특성을 살펴보도록 하였다.
또한 north Pole, SMC, south Pole이 연속적으로 존재하는 횡자속형 전동기의 고유한 특징을 이용하여 자석의 형상을 변형함으로써 설계 변수에 따라 출력 토크가 증가하고 토크 리플이 감소할 수 있음을 확인하였다. 또한 목적 함수를 평균 토크와 토크 리플로 선정하여 이러한 설계 변수들의 최적화 과정을 수행하였다.
이 논문에서는 축방향 이상 횡자속형 전동기를 대상으로 회전자의 기하학적 구조를 고려하여 토크와 토크 리플을 실험과 3차원 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 또한 출력 토크를 증가시킬 뿐만 아니라 토크 리플을 저감할 수 있는 자석 형상을 제안하였으며 이를 위한 변수들의 최적화 과정을 수행하였다. 이 연구는 횡자속형 전동기가 가지는 고효율, 고출력의 장점을 극대화시킬 수 있고 토크 리플로부터 자기적으로 유도되는 진동과 소음을 감소시킴으로써 TFM의 동적 특성 향상에 기여할 수 있다.
이 논문에서는 축방향 이상 횡자속형 전동기를 대상으로 회전자의 기하학적 구조를 고려하여 토크와 토크 리플을 실험과 3차원 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 또한 출력 토크를 증가시킬 뿐만 아니라 토크 리플을 저감할 수 있는 자석 형상을 제안하였으며 이를 위한 변수들의 최적화 과정을 수행하였다.
이 연구에서는 횡자속형 전동기의 주요 특성인 평균 토크와 토크 리플을 목적함수로 선정하였으며 최적화의 대상이 되는 설계 변수는 회전자 영구자석의 각도 Φn, (θL)n, (θR)n로 택하였다.
그림에서처럼 목적함수인 평균 토크 증가와 토크 리플 저감 사이에 서로 경합관계가 있는 것을 확인할 수 있으며, 설계 영역에서 목적함수의 전체적인 경향을 쉽게 파악할 수 있다. 파레토 최적해 집합으로부터 최적설계값은 초기 모델의 평균 토크를 기준으로 토크 리플이 가능한 한 최소가 되도록 그림의 화살표로 표시한 점을 최종 최적해로 선택하였다.

대상 데이터

주기경계조건에서는 양경계면에서의 자기 벡터 포텐셜이 동일하다. 부분모델은 전체모델의 1/32에 해당하는 11.25도에 대하여 모델링 하였으며 요소 수는 24,248개이다. 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 자계를 해석하였으며 우선 주어진 위치에서 자계가 해석되고 회전자의 이동을 고려하여 B-H값을 다시 정의하게 된다.
3은 축방향 이상 횡자속형 전동기의 3차원 유한요소모델을 나타낸다. 전체 모델은 8절점 육면체 요소를 이용하여 전동기 전체를 모델링 하였으며 절점 수는 706,563개, 요소 수는 647,681개 이고 각 요소는 원주방향으로 0.28125도 마다 나뉘어져 있다. 영구자석의 극 쌍이 11.
해석에 적용한 모델은 Fig. 2에 나타낸 정격 속도 300 rpm의 축방향 이상 횡자속형 전동기로서 주요 설계 변수를 Table 1에 나타내었다. 고정자는 철손을 감소시킬 수 있는 soft magnetic composite(SMC) 재질로 만들어 졌고, A상과 B상에 각각 상하 코어로 이루어져 있다.

데이터처리

25도에 대하여 모델링 하였으며 요소 수는 24,248개이다. 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 자계를 해석하였으며 우선 주어진 위치에서 자계가 해석되고 회전자의 이동을 고려하여 B-H값을 다시 정의하게 된다. 토크와 자기력은 회전자가 한 극 쌍을 회전할 때 0.

이론/모형

상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 자계를 해석하였으며 우선 주어진 위치에서 자계가 해석되고 회전자의 이동을 고려하여 B-H값을 다시 정의하게 된다. 토크와 자기력은 회전자가 한 극 쌍을 회전할 때 0.28125도 간격으로 virtual work method를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

이 논문은 자석 형상에 따라 발생하는 토크 특성을 3차원 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 또한 north Pole, SMC, south Pole이 연속적으로 존재하는 횡자속형 전동기의 고유한 특징을 이용하여 자석의 형상을 변형함으로써 설계 변수에 따라 출력 토크가 증가하고 토크 리플이 감소할 수 있음을 확인하였다. 또한 목적 함수를 평균 토크와 토크 리플로 선정하여 이러한 설계 변수들의 최적화 과정을 수행하였다.
또한 출력 토크를 증가시킬 뿐만 아니라 토크 리플을 저감할 수 있는 자석 형상을 제안하였으며 이를 위한 변수들의 최적화 과정을 수행하였다. 이 연구는 횡자속형 전동기가 가지는 고효율, 고출력의 장점을 극대화시킬 수 있고 토크 리플로부터 자기적으로 유도되는 진동과 소음을 감소시킴으로써 TFM의 동적 특성 향상에 기여할 수 있다.
15는 선택된 파레토 최적해의 설계변수값을 고려하여 유한 요소 모델링을 통해 구한 토크 특성 해석결과이다. 초기 모델과 비교하였을 때 최적화된 모델의 평균 토크는 0.26 % 증가하였고 토크 리플은 초기 모델보다 37.48 % 저감시킬 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	횡축형 전동기의 장점은?	자속 Φ의 진행방향과 전동기의 이동방향 v는 서로 수직으로, 즉 횡방향(전류의 방향과 전동기의 진행방향이 같음)이 된다. 횡축형 전동기는 철심영역에서 자속의 통로를 위해 필요한 공간과 고정자의 전류를 흘릴 수 있도록 권선을 시행하는 공간이 분리되어 자기회로와 전기회로가 독립적으로 구성되기 때문에 단위 체적당 높은 출력과 높은 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다(2). 또한 이전동기는 자속이 흐르는 iron core path가 짧고 극 간격이 작으며 영구 자석에 의해 공극에 자속을 집중할 수 있는 구조에 기인하여 다른 형태의 전동기에 비해 높은 추력 밀도 및 토크를 가지게 된다(3).
	횡자속형 전동기 관련 이전 연구는 무엇이 있는가?	횡자속형 전동기 관련 이전 연구에서는 여러 연구자들이 토크 특성 향상에 관한 연구를 하였다. Maddison등은 제작이 용이하고 높은 토크를 발생시키는 Claw pole 횡자속형 전동기를 제안하였고(5) Masmoudi 등은 회전자에 스큐를 주어 토크 발생을 저해하는 코깅 토크를 감소시키는 연구를 하였다(6). 그러나 자석 형상의 최적화를 통한 자속 밀도를 극대화에 의한 토크 특성 향상에 대한 연구는 아직 이루어지지 않고 있다.
	회전형 횡자속형 전동기 모델의 구조는?	1은 회전형 횡자속형 전동기 모델을 나타낸다. 고정자에 링 형태의 권선을 시행하여 공극에 homopolar 형태의 기자력 분포를 만들고 회전자에 영구자석을 삽입하여 heteropolar 형태의 자속 분포를 만들어서 이들의 상호 작용에 의해 추력 및 토크를 발생시키는 구조이다. 자속의 이동 방향과 전동기의 이동 방향이 횡방향이고 고정자를 극간격만큼 엇갈리게 배치함으로써 3차원적인 자속 흐름을 가지게 된다(1).

참고문헌 (7)

Ahn, H. T., Jang, G. H., Chang, J. H., Jeong, S. W. and Kang, D. H., 2008, “Reduction of the Torque ripple and Magnetic Force of a Rotatory two-phase Transverse Flux Machine Using Herringbone Teeth,” IEEE Trans. Magn., Vol. 44, No.11, pp. 4066-4069

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Kang, D. H. and Jeong, Y. H., 2001, “A Study on the Design of Transverse Flux Linear Motor with High Power Density,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics(ISIE), Vol. 2, pp. 707-711
Jang, G. H., Park, N. K., Lee, C. I., Chang, J. H., Jeong, S. W. and Kang, D. H., 2008, “Reduction of the Unbalanced Magnetic Force of a Transverse Flux Machine by Using Symmetric Multi-pair Cores,” Journal of Applied Physics, Vol. 103, pp. 07F104-1-07F104-3

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Erich Schmit, 2005, “3D Finite Element Analysis of the Cogging Torque of a Transverse Flux Machine,” IEEE Trans. Magn., Vol. 41, No. 5, pp. 1836-1839

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Maddison, C. P., Mecrow, B. C. and Jack, A. G, 1998, “Claw Pole Geometries for High Performance Transverse Flux Machines,” Proceedings of International Conference on Electrical Machines, Vol. 1, pp. 340-345
Masmoudi, A., Njeh, A. and Elantably, A., 2005, “On the Analysis and Reduction of the Cogging Torque of a Claw Pole Transverse Flux Permanent Magnet Machine,” European Transactions on Electrical Power, Vol. 15, pp. 513-526

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Lee, J. H., Lee, S. W. and Park, K. W., 2005, “Global Shape Optimization of Airfoil Using Multi-objective Genetic Algorithm,” Trans. of the KSME (B), Vol. 29, No.10, pp.1163-1171

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