기술 개요
“모터와 무선충전 부품의 재료·형상·배치를 계산으로 설계해 성능과 재료 절감, 제조 가능성을 함께 고려하는 기술입니다.”
산업 별 활용 방안
전기차 구동모터·산업용 모터 개발 기업
모터 개발 기업은 요구 회전력과 크기, 자석 비용, 생산 조건을 함께 맞춰야 하므로 설계안 비교와 시제품 평가를 반복하는 부담이 있습니다. 본 기술을 회전자 설계에 적용해 자석 배치·철심 형상·전류제어 조건을 연계해 최적화하고, 가공성과 회전 하중에 대한 구조 안전성을 함께 검토할 수 있습니다. 기존 모터의 설계영역과 요구 조건을 입력한 수치 설계 검증부터 시작하고, 후보 회전자의 제작·시험으로 실제 회전력과 고속 운전 성능을 확인하는 방식으로 도입할 수 있습니다.
무선충전 기기·충전 모듈 개발 기업
무선충전 기기 개발 기업은 제품의 무게와 설치 공간을 제한하면서도 필요한 충전 전압을 확보해야 해 부품 구성과 배치를 반복 검토합니다. 본 기술로 송신기 페라이트와 수신 코일을 함께 최적화해 목표 전압, 부품 무게와 자기장 강도 조건에 맞는 형상·위치·코일 감김 수를 설계할 수 있습니다. 대상 기기의 공간과 전압 조건을 반영한 해석 검증 후 시제품을 제작하고, 실제 충전 효율·발열·정렬 오차에 따른 성능은 개념검증(PoC)에서 확인하는 방식으로 도입할 수 있습니다.
전자기 해석·최적설계 소프트웨어 기업 및 설계 전문기관
설계 소프트웨어 기업과 설계 전문기관은 고객별 성능·재료·제조 요구가 달라 해석 결과를 실제 제작 가능한 설계안으로 연결하는 데 많은 검토가 필요합니다. 본 기술의 재료 배치 최적화와 전자기·구조 해석 연계 방식을 활용해 모터 회전자와 무선충전 부품의 후보 구조를 계산하고 요구 조건별 설계안을 비교할 수 있습니다. 기존 해석 환경과의 연계 가능성을 먼저 검토한 뒤 대상 부품별 최적화 기능을 단계적으로 적용하고, 계산 결과와 시제품 시험 결과를 비교해 적용 범위를 정할 수 있습니다.
기술 설명
어떤 기술인가요?
부품 최적설계는 정해진 공간 안에서 재료를 어디에 얼마나 배치해야 요구 성능을 낼 수 있는지 계산으로 찾는 기술입니다. 본 기술 포트폴리오는 모터와 무선충전 부품의 구조를 자동으로 도출하는 설계 방법(위상최적설계)을 다루며, 전자기 성능뿐 아니라 재료 사용량, 전류제어 조건, 가공성과 구조 안전성을 설계에 반영합니다. 모터 회전자의 자석·철·공기 배치와 자석 방향을 조정해 자석 사용량 최소화 또는 부피당 회전력 최대화를 추구하고(특허 1), 무선충전 송신기의 자속 경로를 형성하는 재료인 페라이트와 수신 코일을 함께 설계해 목표 전압과 무게 조건을 고려하며(특허 2), 회전자 구조가 바뀔 때마다 최적 전류제어 조건을 다시 계산하고(특허 3), 회전자 내부의 자속 통로와 지지 구조의 형상을 가공성·회전 하중에 맞춰 조정하는(특허 4) 기법으로 부품 구조와 작동 조건을 연계한 설계를 지원합니다.
어떤 문제를 해결하나요?
1. 성능과 재료 사용량의 상충
모터는 영구자석 사용량을 줄이면 회전력 확보가 어려울 수 있고, 무선충전기는 자속 전달을 돕는 페라이트와 코일을 추가하면 무게가 증가합니다. 자석·철·공기의 배치와 자석 방향을 함께 최적화하고, 무선충전에서는 페라이트와 수신 코일의 구조를 함께 계산해 회전력 또는 유도전압 목표에 맞는 재료 분포를 찾습니다.
2. 구조와 전류제어의 불일치
모터 회전자 형상을 바꾸면 자속과 전류에 대한 반응도 달라지므로, 고정된 전류 조건만으로 평가하면 변경된 구조의 성능을 충분히 반영하기 어렵습니다. 전자기 해석으로 구조별 특성을 계산하고, 주어진 전류에서 회전력을 높이는 제어와 고속 운전의 전압 제한을 고려하는 제어 조건을 반복적으로 갱신해 회전자 설계에 반영합니다.
3. 성능 중심 형상의 제작·안전 한계
전자기 성능만을 우선하면 모터 내부의 자속 통로가 지나치게 얇거나 복잡해져 가공이 어렵고, 회전 하중을 지지하는 연결부의 강도가 부족할 수 있습니다. 전자기 해석과 구조 해석에 서로 다른 형상 조정 조건을 적용해 자속 통로와 지지부의 수·두께를 조절하고, 회전 속도에 따른 응력과 변형을 평가하면서 설계 도면을 도출합니다.
연구자 및 특허 소개
장인권
한국과학기술원 조천식모빌리티대학원
前 Queen's University(캐나다 Kingston) 기계·재료공학 박사후연구원(2006~2009)
前 KAIST 친환경스마트자동차연구센터장(2017~2018)
前 KAIST 모바일하버센터 기술부단장
現 KAIST 교수(2011~현재, 조교수·부교수·교수)
現 KAIST 조천식모빌리티대학원 학과장(2021~현재)
現 한국최적설계학회 부회장(2024~현재)
기술과 관련된 특허 4건
FAQ
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