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

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목표 및 내용 5
• 1.3 논문 구성 8
• 제2장 매입형 영구자석 동기발전기(IPMSG) 10
• 2.1 IPMSG 구조 및 전자기적 특성 11
• 2.2 IPMSG 특성 방정식 및 운전 영역 15
• 2.2.1 d-q축 변환 15
• 2.2.2 IPMSG의 특성 방정식 17
• 2.2.3 IPMSG의 운전 영역 20
• 2.3 IPMSG 전자계 손실 특성 및 해석 기법 23
• 2.3.1 동손 23
• 2.3.2 철손 27
• 2.3.3 영구자석 와전류손 29
• 제3장 커널 서포트 벡터 머신(KSVM) 기반 지능형 최적화 알고리즘 30
• 3.1 기존 최적화 알고리즘 31
• 3.1.1 유전 알고리즘 (GA) 31
• 3.1.2 개인 집단 최적화 알고리즘 (PSO) 36
• 3.2 KSVM 적용을 통한 최적화 알고리즘 성능 향상 방안 40
• 3.2.1 커널 서포트 벡터 머신 (KSVM) 40
• 3.2.2 KSVM을 이용한 우수 해 영역 도출 기법 45
• 3.3 KSVM 기반 지능형 최적화 알고리즘 개발 47
• 3.3.1 GA with Species Differentiation based on KSVM 47
• 3.3.2 Adaptive PSO based on KSVM 50
• 3.3.3 지능형 최적화 알고리즘 성능 검증 및 비교 52
• 제4장 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석 56
• 4.1 펄스 폭 변조 (PWM) 인버터 해석 57
• 4.1.1 PWM 인버터 57
• 4.1.2 PWM 인버터 해석 모델 구현 63
• 4.1.3 PWM 인버터 해석 모델 검증 67
• 4.2 PWM 고조파를 고려한 전자계 손실 해석 73
• 4.2.1 PWM 고조파 철손 해석 74
• 4.2.2 PWM 고조파 영구자석 와전류손 해석 81
• 4.2.3 PWM 고조파를 고려한 전자계 손실 해석 모델 검증 87
• 4.3 복합 열 전달 해석 기반 온도 해석 92
• 4.3.1 열 유동 해석 기반 복합 열 전달 해석 92
• 4.3.2 전기기기 열 해석 모델링 97
• 4.3.3 전자계/열계 결합 수치해석 기반 온도 해석 모델 검증 101
• 제5장 RE-EB용 IPMSG 효율 최적 설계 및 성능 분석 104
• 5.1 RE-EB용 IPMSG 목표 성능 및 제한 조건 104
• 5.2 RE-EB용 IPMSG 구상 설계 107
• 5.2.1 극/슬롯 조합 및 권선법 선정 107
• 5.2.2 영구자석 배치 토폴로지 선정 113
• 5.3 RE-EB용 IPMSG 효율 최적 설계 117
• 5.3.1 목적 함수 및 설계 변수 선정 117
• 5.3.2 IPMSG 효율 최적 설계 120
• 5.3.3 최종 모델 도면 선정 124
• 5.4 RE-EB용 IPMSG 성능 분석 및 열적 강건성 검토 125
• 5.4.1 전자계 성능 분석 125
• 5.4.2 포화 온도 분석 및 열적 강건성 검토 130
• 제6장 RE-EB용 IPMSG 제작 및 성능 시험 135
• 6.1 시험용 IPMSG 제작 및 시험 세트 구성 135
• 6.2 시험용 IPMSG 전자계 특성 시험 137
• 6.3 시험용 IPMSG 온도 포화 시험 140
• 제7장 결론 142

참고문헌 (Reference)

1 설승기, "“전기기기제어론,”", 브레인 코리아, pp. 239-282, 2002

2 김상훈, "“DC, AC, BLDC 모터 제어 3rd ed.,”", 북두출판사, 2012

3 정상용, "“그린카용 구동모터 최적설계,”", vol. 다솜출판사, 2016

4 김용훈, 홍정표, 이호영, 이병화, 김정환, "고조파 전류와 자기포화 영향을 고려 한 교류저항 산정,", 대한전기학회 학술대회 논문집, pp. 666-667, 2012

5 한경식, "주행거리 연장형 전기자동차(RE-EV) 시장과 국내 개발 현황,", Auto journal, 2012

6 서명기, "Manufacturing Uncertainty를 고려한 서보 시스템용 SPMSM의 최적설 계,", 2018

7 임동국, "“전기자동차 주행거리 확장용 매입형 영구자석 발전기 최적설계,”", 서울대학 교, vol. 공학박사 학위논문, 2017