특허 개요
본 특허는 모터 내부의 자기력 전달 구조와 지지 구조를 컴퓨터로 최적화하는 모터 설계 방법 및 장치입니다. 여러 빈 공간을 분포시킨 초기 임의 중공원 모델에 위상 최적화를 적용해 자속 경로를 형성하는 웹과 회전 하중을 지지하는 브릿지의 형상을 도출합니다. 전자기·기계 구조 해석에 서로 다른 필터 반경과 페널티 계수를 적용하여 웹·브릿지의 수와 두께를 독립적으로 조절하며, 토크 리플 최소화를 목적 함수로 하고 목표 평균 토크·컴플라이언스·관성모멘트를 제약조건으로 반영해 설계 자료를 생성합니다.
- 핵심 기능
다수 공극이 분포한 초기 모델을 전자기 위상 최적화하여 웹·브릿지의 이상 형상을 도출합니다. 이어 전자기·기계 구조 해석의 개별 필터링과 페널티 적용으로 형상을 조정하고, 회전력 변동과 구조적 제약을 함께 고려한 최적 형상 정보를 출력합니다.
- 차별 강점
기존 설계는 웹·브릿지의 두께·위치·개수를 엔지니어의 직관으로 사전 결정해야 하고, 자기포화·누설자속과 구조·가공 요구조건을 함께 반영하기 어려웠습니다. 본 기술은 초기 임의 중공원 모델과 전자기·기계 해석의 개별 최적화를 결합해 사전 형상 설정 의존도를 줄이고, 자속 경로와 하중 지지 구조를 각각 조절하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 동기 릴럭턴스 모터의 회전자 설계와 전자기·구조 통합 최적설계에 활용 가능하며, 영구자석 모터와 유도 모터 설계로 적용 범위를 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 친환경 차량용 모터, 고효율 산업용 모터, 모터 최적설계 소프트웨어 개발에 활용 가능합니다.
연구 개발 단계
일반 초기 모델과 초기 임의 중공원 모델을 비교하고, 필터 반경과 회전 속도를 바꾸어 평균 토크·토크 리플·응력·변형의 수치 해석 결과를 확인했습니다. 실제 제작 모터의 가공 공차·적층 제조성·실물 성능·고속 장기 내구성과 다른 모터 유형에 대한 실증은 아직 추가 검증이 필요합니다.
- 해석 대상: 동기 릴럭턴스 모터 회전자의 웹·브릿지 형상
- 비교 모델: 균일 상대밀도 일반 초기 모델과 초기 임의 중공원 모델, 단일 페널티와 dq 의존 페널티
- 최적화 조건: 웹 최적화는 기계 필터 반경 0.75mm·4000rpm 고정 및 전자기 필터 반경 0.05～0.25mm, 브릿지 최적화는 전자기 필터 반경 0.25mm·4000rpm 고정 및 기계 필터 반경 0.25～0.75mm, 회전 하중 조건은 4000～8000rpm
현재 성과
초기 모델 비교 수치 해석에서 초기 임의 중공원 모델은 전자기 필터 반경 0.10mm, 0.15mm, 0.50mm 모두에서 목표 평균 토크를 충족했습니다. 동일 필터 반경의 일반 초기 모델은 각각 11.1Nm, 11.1Nm, 12.1Nm로 목표를 충족하지 못했으며, 이 결과는 실제 제작 모터의 측정값이 아닌 수치 최적화 결과입니다.
전자기 필터 반경 0.25mm, 기계 필터 반경 0.75mm, 회전 속도 4000rpm 조건의 수치 해석에서 최대 응력 68.69MPa와 평균 토크 9.997Nm가 제시되었습니다. 해당 최대 응력은 해석에 설정된 항복 강도 100MPa보다 낮지만, 실물 모터의 구조 안전성과 장기 내구성은 별도 검증이 필요합니다.
초기 임의 중공원 기반 형상 도출에 전자기·기계 구조 해석별 필터링과 페널티를 결합하여 웹과 브릿지의 수·두께를 각각 조절합니다. 사전에 구조를 정하는 기존 방식과 달리, 자속 분포와 회전 하중을 함께 고려하면서 제조 가공성 및 구조 안정성을 반영하는 설계 방식입니다.
상용화까지 남은 부분
최적화 형상의 실제 제작을 통한 가공 공차와 적층 제조성 검증
제작 모터의 평균 토크·토크 리플 등 실물 성능과 고속 장기 내구성 검증
영구자석 모터·유도 모터 등 다양한 모터 유형에 대한 적용 실증
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
제조 가공성 및 구조 안정성을 고려한 고성능 모터의 위상 최적화 기반 설계 방법 및 장치
10-2021-0190555 (2021.12.29)
1020230100895 (2023.07.06)
1028831100000 (2025.11.04)
장인권 (한국과학기술원), 이창우 (한국과학기술원)
한국과학기술원
한국과학기술원