내연기관 자동차와 달리 전기자동차(EV)는 공조 시스템의 컴프레서에 필요한 동력을 전기원으로부터 공급받는다. 따라서 전기 컴프레서의 핵심 부품인 전동기의 최적 설계는 EV의 주행거리 향상에 필수적이다. 전동기의 특성들이 상호 트레이드오프 관계에 있으므로 다목적 최적 설계가 요구된다. 유한요소법(FEM)을 사용하면 최적 모델 탐색에 필요한 다양한 해석이 요구되어 전동기에 대한 다목적 최적 설계에 상당한 시간이 소요된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 NSGA-II와 해석적 방법을 사용하여 EV 공조용 시스템 컴프레서를 위한 SPMSM의 다목적 최적 설계 방법을 제안하고 적용하였다. 제안된 방법의 타당성은 최적 설계 모델의 특성을 최초 설계 모델의 특성과 비교함으로써 확인하였다.

본 연구는 전기자동차 압축기에 사용되는 내부 영구자석 동기전동기(IPMSM)에서 테이퍼링 로터 표면(tapering rotor surface) 기법을 조사한다. 이를 위해 본 논문은 로터 반지름 방향을 따라 브리지(bridge) 영역에 비대칭 형상을 적용하여 비균일 공극(nonuniform air gap)을 형성함으로써 새로운 테이퍼 로터 설계를 제안한다. 공극이 균일한 기존의 IPMSM은 사다리꼴 형태의 자속밀도를 생성하여 고차 고조파를 유발하고, 그로 인해 전동기에 특정한 단점이 발생한다. 본 연구는 개선 설계 변수로 편심 중심의 오프셋 높이(offset height)와 로터 반지름과 자석 사이의 거리를 선정하였다. 비균일 공극으로 특징지어지는 제안된 테이퍼 로터 모델은 초기 모델보다 더 우수한 성능을 보였다. 이후, 제안된 모델의 구조적 건전성을 검증하기 위해 얇아진 배리어(thinned barrier)에 대한 응력 해석을 수행하였다. 공극 자속밀도, 코깅 토크(cogging torque), 인덕턴스(inductance), 자속 연계(flux linkage), 효율 맵(efficiency maps)과 같은 핵심 파라미터는 유한요소법(FEM)과 MATLAB 시뮬레이션을 사용하여 초기 모델과 개선 모델 간에 비교하였다. 제안된 테이퍼링 전동기는 주 운전점(primary operating point)에서 코깅 토크 오차율(cogging torque error rate)을 36.36% 감소시켰고, 효율 편차(efficiency deviation)를 0.6% 개선하였다. 또한 기존 로터 모델의 시제품을 제작하고 효율 곡선을 검증하였으며, 그 결과는 FEM 해석 결과와의 양호한 일치성을 보였다.