매입형 영구자석형 동기전동기의 메타모델 기반 최적 설계

김세은,김대한,이기행,양윤진,유용민 국제차세대융합기술학회 2023 차세대융합기술학회논문지 Vol.7 No.10

전기를 동력으로 사용하는 구동 시스템은 탑재된 배터리를 활용하기 때문에 구동용 전동기의 성능을 향 상시키는 것이 중요하다. 고출력 및 고효율의 특성을 필요로 하는 분야에서는 주로 영구자석형 동기전동기가 사용 되고 있으며, 최근에는 평각동선을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 구동용 전동기의 성능 향상을 목표로 평각동선이 적용된 영구자석형 동기전동기에 대한 연구를 수행하였다. 목적 함수는 역기전력 의 고조파 왜형률을 최소화하는 것이며, 제약 조건은 평균 토크, 토크 리플, 선간 전압으로 설정하였다. 민감도 분 석을 통해 유의한 설계 변수를 선정하고, OLHD (Optimal Latin Hypercube Design) 샘플링 기법을 활용하여 실 험계획을 수행하였다. 11개의 메타모델링 기법과 RMSE Test (Root Mean Square Error Test)를 통해 정확도가 가장 높은 메타모델을 STDQAO (Sequential Two-point Diagonal Quadratic Approximate Optimization) 알고 리즘 및 HMA (Hybrid Metaheuristic Algorithm) 알고리즘과 결합하여 최적점을 도출하였으며, 각 최적점에 대 한 유한요소해석을 통해 메타모델 기반 최적 설계의 타당성을 검증하였다. 결과적으로 본 연구에서는 영구자석형 동기전동기의 메타모델 기반 형상 최적 설계를 통해 제약 조건을 만족하면서 목적 함수인 역기전력의 고조파 왜 형률의 최소화가 가능함을 알 수 있었으며, 제안하는 메타모델 기반 최적 설계기법이 친환경차 구동모터의 성능 향상에 유용함을 확인하였다. A drive system powered by electricity relies on its on-board batteries. Therefore, it is important to improve the performance of the traction motor. Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) have been predominantly used in fields that require high power density and high efficiency characteristics. Recently, research using the hairpin winding with rectangular wire has been actively conducted. Therefore, a study on the PMSM with rectangular wire for improving the performance of the traction motor is conducted. The objective function is to minimize the total harmonic distortion (THD) of the Back-EMF. The average torque, torque ripple, and line-to-line voltage are set as constraints. Sensitivity analysis is conducted to select significant parameters. The design of experiments is performed using the optimal latin hypercube design (OLHD) technique. Using 11 metamodeling techniques and root mean square error test (RMSE Test), the metamodel with the highest accuracy is combined with the sequential two-point diagonal quadratic approximate optimization (STDQAO) algorithm and hybrid metaheuristic algorithm (HMA) to derive the optimal point. Finally, the validity of the optimal design based on the metamodel is verified through the finite element analysis (FEA) for each optimal point.

가속 능력을 고려한 주행 집전계 시험기 주행대차용 선형 유도전동기 설계에 관한 연구

조수연(Suyeon Cho),김광수(Kwangsoo Kim),이형우(Hyungwoo Lee),함상환(Sanghwan Ham),안한웅(Hanwoong Ahn),이주(Ju Lee) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

This paper presents design process of linear induction motor in dynamic tester for catenary-current collection. To minimize length of rail for dynamic tester for catenary-current collection, accelerating performance of the linear induction motor is very important. So the design process of linear induction motor considered in this paper is different with general design process of linear induction motor, because dynamic tester has three type driving region, as accelerating region, constant speed region, and braking region. Considering accelerating performance of motor, distance and time from starting point to constant speed region were concerned for load condition of motor. Designed linear induction motor was analyzed by 2-dimensional finite element method. Using mechanical dynamics simulation with analysis result of 2-dimensional finite element method, accelerating performance of designed motor was proved.

VHDL을 이용한 유도전동기의 속도제어

박형준,권영안 釜山大學校生産技術硏究所 2002 生産技術硏究所論文集 Vol.61 No.-

최근에 VHDL을 이용한 ASIC 회로설계 기술이 개발되면서 전용 프로세서의 설계가 용이하게 되어 많은 분야에서 응용되고 있다. 본 논문은 VHDL을 이용한 ASIC 회로설계 기술을 유도전동기의 송도제어에 응용하는 연구로서 유도전동기 구동시스템의 제어부를 효율적으로 설계하고 one-chip으로 구현하는데 목적을 두고 있다. 이를 위해 유도전동기의 속도제어 방식인 슬립제어의 동작레벨을 기술하고 시뮬레이션하여 동작을 확인한 후, 회로를 합성하고 최종적으로 FPGA를 이용하여 속도제어 ASIC을 제작하였다. 본 논문에서 제시된 유도전동기의 속도제어 시스템은 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다. The ASIC chip design for the speed control of an induction motor has been a subject of increasing interest since an effective system-on-a-chip design methodology is developed. This paper investigates the design and implementation of the ASIC chip for the speed control of an induction motor using VHDL which is a standarded hardware description language. The presented system is implemented using a simple electronic circuit based on FPGA. The overall drive system for the speed control of an induction motor is verified through the simulation and experiment.

동적설계해석과 과도응답해석을 이용한 함정용 대형 전동기의 내충격성 평가

이성욱(Seong-Wook Lee),김진(Jin Kim),공영경(Yeong-Kyung Kong) 한국기계가공학회 2010 한국기계가공학회지 Vol.9 No.5

In this study, we carried out to evaluate the shock-proof of a large scale motor for the naval vessel using dynamic design analysis method (DDAM) and full transient dynamic analysis. Analytical models for main assemblies (motor frame, rotor and stator assembly) were consisted of the tetrahedral solid elements and the equipments which installed in the upper side of the motor were substituted the mass elements. And we also modelled resilient mounts of a motor using the beam elements with appropriate directional stiffness. The DDAM was conducted according to NRL memorandum report 1396 and the full transient dynamic analysis was performed applying directional triple half triangle shock wave to the motor using ANSYS 12. As a result, we could compare of the results according to each analytic method and find the motor to satisfy the design criteria of the maximum stress and deformation.

도시철도 추진용 180kW 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 설계 및 분석

현대일,정호진,백제훈 한국철도학회 2021 한국철도학회논문집 Vol.24 No.5

현재 대부분의 도시철도 추진시스템에 사용되고 있는 3상 유도전동기는 매입형 영구자석 동기전동기에 비하여 낮은 출력밀도의 특성이 있으며, 전동기 또는 인버터 스위치의 한 상에서 고장이 발생할 경우 추진시스템의 동작이 불가능한 단점이 있으므로 이를 개선하는 방안이 요구되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 현재의 도시철도용 3상 유도전 동기 기반의 추진시스템이 가지고 있는 단점들을 개선할 수 있는 180kW급 6상 영구자석 보조형 동기전동기 모델을 제안하였다. 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 설계를 위하여 자기회로 모델과 유전알고리즘을 이용한 최적설계 과정을 제시하였으며, 유한요소분석을 이용하여 무부하 및 부하운전 성능 그리고 정상 및 고장 조건에서의 성능을 비교하였다. 또한, 기존에 설계된 도시철도용 3상 영구자석 보조형 동기전동기와 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 유한요소해석 결과를 비교하여 6상 동기전동기의 장점을 분석하였다.

원심력 및 회전자 편심을 반영한 유도전동기 회전자의 피로해석

김윤환(Youn-Hwan Kim),박찬혁(Chan-Hyuk Park),서창균(Chang-Kyun Seo) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

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. 또한, 기계적 강도는 정적강도와 피로강도로 나누어지는데, 피로강도 해석 시 전자기적 특성을 고려하여 분석할 수 있다. 본 연구에서는 고속유도전동기의 회전자에 대하여 전자기장해석 및 구조해석을 진행하여 형상설계를 진행하였으며 피로해석을 수행하여 기계적 안전성을 확인하였다. 최종적으로 회전자 설계 시 피로강도와 전자기적 특성을 고려하여 회전자 바의 브릿지의 두께를 결정해야 한다는 것을 확인하였다. The electric steel plate of the induction motor rotor supports the rotor bar due to the mechanical force during rotation of the rotor. Since magnetic flux leakage occurs at the bridge portion and affects the electromagnetic characteristics, it is important to design the rotor shape in consideration of both mechanical strength and electromagnetic performance when designing the rotor. Mechanical strength can be divided into static strength and fatigue strength. Fatigue strength analysis can be performed in consideration of electromagnetic characteristics. In this study, we are proceeding with electromagnetic field analysis and structural analysis for the rotor of a high-speed induction motor to advance shape design, and performed fatigue analysis to confirm mechanical safety. Finally, it was confirmed that it is necessary to determine the thickness of the rotor bar bridge in consideration of fatigue strength and electromagnetic characteristics when designing the rotor.

형상 설계 변수를 고려한 PMSM 전동기 모터의 복합 열전달에 관한 수치해석적 연구

이정희(Jung Hee Lee),최종락(Jongrak Choi),허남건(Nahmkeon Hur),김주한(Joo Han Kim),김영균(Young Kyoun Kim),유세현(Se Hyun Rhyu) 한국전산유체공학회 2012 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

The present study has been performed for analyzing the fluid flow and heat transfer of PMSM electric motor with considering shape design variables. In order to analyze the flow and heat transfer, the developed CFD program has been used. It had been developed for inexperienced motor designer of CFD analysis. So mesh can be easily generated from the shape design variables only. The conjugate heat transfer between a flow passage of the motor and inner parts consisting of rotor and stator has been regarded and cyclic boundary condition has been applied to reduce the computational time and memory storage. MRF(Multi-Reference Frame) method has been used to consider rotating operation of the rotor and heat source has been applied to the coil and stator parts in the motor. For considering the turbulence effects, the Standard k-ε turbulence model is used. The numerical simulation results show a good agreement with the commercial program. The parametric studies such as the speed of rotor, shape design variables, and material properties, had been carried out for the analysis of thermal characteristics of PMSM motor.

감속비를 고려한 In-Wheel type 구동 전동기의 중량 저감 설계

이병화(Byeonghwa Lee),채승희(Sounghee Chai),권순오(Soono Kwon),홍정표(Jungpyo Hong),이정종(Jeongjong Lee) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2011 No.5

This paper deals with the weight reduction design of In-Wheel type motor. Therefore, characteristic and weight of motor according to change in reduction gear ratio are examined. The weight of construction and reduction gear following the increase of gear ratio are also considered. Weight of motor is minimized by modulating the ratio of stack length and external diameter of stator. Then, In-Wheel motor geometry based on the prototype motor is optimized to get the determined parameters using response surface methodology (RSM) and Finite Element Method (FEM). Optimal design of core usage in rotor is conducted for minimizing weight of motor which has identical characteristic to prototype motor. Characteristic analysis is conducted by using equivalent circuit analysis of PM type motor. Through the presented weight of In-Wheel type motor, total weight is reduced to 25% of prototype motor.

동다이케스팅을 이용합 프리미엄 효율 유도전동기 설계 연구

김광수(Kwangsoo Kim),김미정(Mi-Jung Kim),함상환(Sang-Hwang Ham),이주(Ju Lee) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11

Recently, the Interest about energy saving is increasing continuously because of high oil price and energy resources limit. It is necessary that the Premium Efficiency Motor have to be developed to cope with a rise of electric power consumption year after year, to overcome energy resource shortage, and to enforce the MEPS (Minimum Energy Performance Standard). To design premium efficiency induction motor, first, we need to study design process of high efficiency induction motor using basic design principle. Through the copper die-casting technology is applied to rotor of design model instead of aluminum die-casting, we can achieve design of premium efficiency motor. In this paper, new design flow of induction motor is proposed for high efficiency. And the characteristics of induction motor with copper die-casting rotor are described.

유한요소법을 이용한 서비스 로봇관절용 외전형 BLDC 모터설계에 관한 연구

김영균(Kim Young Kyoun) 한국자기학회 2015 韓國磁氣學會誌 Vol.25 No.6

This s paper presents characteristics Analysis of Outer Rotor type BLDC Motor. To reduce the cogging torque and to make the high back EMF constant of the motor, Not only magnetization directions of a permanent magnet are investigated, but also a tooth chamfer of a stator is optimized. The design and analysis results are verified with experimental results.