특허 개요
본 특허는 전기모터 내부의 영구자석 배치를 컴퓨터로 최적화하는 설계 방법 및 장치입니다. 회전자 설계영역을 유한요소로 나누고, 각 요소의 영구자석·철·공기 상태와 자석 방향을 설계변수로 표현하는 다중물질 위상최적설계를 적용합니다. 전자기·구조 유한요소해석에 단위 전류당 최대 토크 제어(MTPA) 또는 약자속 제어를 연계하고, 물질별 필터링·클러스터링을 반복해 영구자석 사용량 최소화 또는 토크 밀도 최대화를 위한 자석의 개수·치수·배치를 도출합니다.
- 핵심 기능
회전자 각 유한요소의 물질 상태와 영구자석 방향을 설정하고, 전자기 해석으로 토크 특성을 평가하면서 구조 해석으로 안전성을 판단합니다. 물질별 필터링·클러스터링과 전류제어 조건 갱신을 반복해, 설정한 토크·자석 사용량 목적함수 및 제약조건에 맞는 회전자 구조를 도출합니다.
- 차별 강점
기존 방식은 설계자가 자석의 개수·치수·배치를 먼저 정하므로 설계자 역량에 따른 차이가 크고, 자속 포화·누설 자속을 고려한 복잡한 구조 탐색에 한계가 있었습니다. 이 기술은 물질 분포와 자석 방향을 함께 최적화하고 전류제어를 연계하며, 물질별 필터 반경으로 성능과 제작 용이성을 절충할 수 있다는 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 영구자석 삽입형 모터, 희토류 사용량 저감형 모터, 고출력밀도 회전자 설계에 활용 가능합니다. 사업 측면에서는 전기차 구동모터 개발과 모터 CAE·최적설계 소프트웨어로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
영구자석·철·공기 다중물질 회전자를 대상으로 전자기·구조 유한요소해석과 MTPA 전류제어를 연계해 초기모델과 최적화모델을 비교하고, 반복 최적화의 수렴 및 필터 반경에 따른 성능·제작성 절충을 제시했습니다. 실물 모터의 제조성·내구수명·고속 회전 신뢰성·실차 운전 성능에 대한 정량 검증은 문서에서 확인되지 않습니다.
- 해석 대상: 영구자석·철·공기로 구성된 다중물질 회전자 구조
- 비교 모델: 초기모델과 최적화모델, 필터 반경별 설계 사례
- 해석 조건: 전자기·구조 유한요소해석 및 MTPA 전류제어 연계
현재 성과
전자기 해석과 전류제어를 연계한 최적화모델에서 제시된 합산 토크입니다. 영구자석 토크와 릴럭턴스 토크를 함께 고려한 수치 해석 결과이며, 실물 모터의 성능 및 자석 사용량 절감 효과는 별도 PoC에서 확인해야 합니다.
초기 분포에서 필터링·클러스터링을 반복하며 영구자석 자속, q축·d축 인덕턴스 차이, 전류위상각 및 합산 토크의 수렴 양상을 제시했습니다. 검증은 전자기·구조 유한요소해석과 MTPA 전류제어를 연계한 수치 기반 사례이며, 실물 운전 신뢰성 검증과는 구분됩니다.
설계자가 자석 배치를 사전에 정하는 방식과 달리, 영구자석·철·공기 분포와 자석 방향을 설계변수로 함께 다룹니다. 위상 변화에 맞춰 전류제어 조건을 갱신하고 물질별 필터링·클러스터링을 적용해, 성능과 제작 용이성을 함께 고려하는 구조가 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
최적화 회전자 구조의 실물 제조성 및 제작 공정 적용성에 대한 정량 검증
실물 모터의 내구수명 및 고속 회전 조건에서의 구조 신뢰성 검증
전기차 적용 시 실차 운전 조건에서의 모터 성능 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
전기모터의 영구자석 최적 배치를 위한 다중물질 위상최적설계 방법 및 장치
10-2023-0188389 (2023.12.21)
1020250020280 (2025.02.11)
미등록 (심사 중)
장인권 (한국과학기술원), 이창우 (한국과학기술원)
한국과학기술원