특허 개요
본 특허는 영구자석이 내부에 삽입된 모터의 회전자 구조와 전류제어 조건을 함께 최적화하는 컴퓨터 기반 설계 방법 및 장치입니다. 회전자 철심을 유한요소로 나누고 각 요소의 철·공기 상대 밀도를 설계변수로 삼아, 전자기·구조 다중물리 유한요소해석과 SIMP 기반 민감도 해석으로 토크와 구조적 컴플라이언스를 평가합니다. 구조 변화에 따라 영구자석 자속과 d축·q축 인덕턴스 차이를 다시 계산하고, 단위전류당 최대토크 제어(MTPA) 또는 약계자 제어(FW)의 최적 전류 조건을 갱신해 위상최적설계에 반영합니다. 이후 필터링을 거쳐 제작가능한 회전자 구조를 도출합니다.
- 핵심 기능
회전자 구조별 자속과 인덕턴스 특성으로부터 최적 전류 조건을 계산하고, 해당 조건에서 평균 토크·토크 리플·구조적 컴플라이언스를 평가해 철·공기 배치를 갱신합니다. 이 과정을 반복하여 이상적 회전자 구조를 찾은 뒤, 필터링으로 제작가능 구조를 도출하고 구조 안전성을 검토합니다.
- 차별 강점
기존 방식은 엔지니어가 웹·브릿지의 형상을 미리 정하고 고정 전류 조건으로 설계하거나, 단품 제작과 반복 실험으로 최적 전류 조건을 찾는 부담이 있었습니다. 본 기술은 회전자 구조 변화마다 최적 전류 조건을 다시 계산해 설계에 결합하므로, 복잡한 철심 형상과 제어 조건을 함께 탐색하고 반복 제작·시험 부담을 줄일 수 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 영구자석 삽입형 동기모터의 전자기·구조 연계 설계, MTPA·약계자 제어를 고려한 회전자 최적화, 희토류 사용 저감형 고토크 모터 개발에 활용 가능합니다. 사업 측면에서는 전기자동차·친환경 차량의 구동 모터와 전동화 파워트레인 개발, 모터 CAE 및 설계 자동화 소프트웨어로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
페라이트와 네오디뮴 자석을 적용한 사례에서 MTPA 토크를 최대화하는 설계 및 모터 파라미터의 수렴을 확인하고, 제작가능 구조의 최대 응력이 허용 항복강도보다 낮음을 수치해석으로 확인했습니다. 실제 제작 모터의 토크·효율·약계자 운전 성능, 제어기 실시간 적용, 반복 제조 재현성과 장기 내구성은 문서에서 검증되지 않았습니다.
- 해석 대상: 영구자석 삽입형 전기 모터의 회전자 철심
- 자석 조건: 페라이트 0.3 Tesla 및 네오디뮴(Nd-Fe-B) 1.2 Tesla 적용 사례
- 최적화 조건: 전자기·구조 다중물리 유한요소해석, SIMP 기반 위상최적화, MTPA 토크 최대화·토크 리플 최소화·구조 컴플라이언스 제약 및 단계별 최적화
현재 성과
회전자 구조와 최적 전류 조건을 함께 갱신한 수치 최적화에서 얻은 평균 토크입니다. 페라이트 적용 사례는 인덕턴스 차이에 따른 릴럭턴스 토크를 활용하는 구조로, Nd-Fe-B 적용 사례는 강한 영구자석 자속을 활용하는 구조로 최적화되었습니다. 실제 제작 모터의 토크·효율 성능은 별도 PoC에서 확인해야 합니다.
필터링을 거쳐 도출한 제작가능 회전자 구조를 구조 유한요소해석으로 평가한 결과입니다. 두 사례 모두 최대 응력이 허용 항복강도 100MPa보다 낮아 해석 조건에서 구조 안전성을 확인했습니다. 반복 운전과 장기 내구성에 대한 실물 검증은 별도로 필요합니다.
고정자에 임의의 고정 전류를 적용하는 종래 방식과 달리, 회전자 설계변수에서 영구자석 자속과 d축·q축 인덕턴스 차이를 도출해 최적 전류 조건을 반복 계산합니다. MTPA 또는 약계자 제어 조건을 다중물리 위상최적설계에 결합하는 것이 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 제작 모터에서의 토크·효율·약계자 운전 성능 검증
최적 전류 조건의 제어기 실시간 적용 및 운전 성능 검증
최적화 회전자 구조의 반복 제조 재현성 및 장기 내구성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
단위 전류당 최대토크 제어성능 및 약계자 제어성능을 고려한 영구자석 삽입형 전기 모터의 위상최적설계 방법 및 장치
10-2022-0153700 (2022.11.16)
1020240071782 (2024.05.23)
미등록 (심사 중)
장인권 (한국과학기술원), 이창우 (한국과학기술원)
한국과학기술원