Conference: 2025 한국자기학회 하계학술대회
Authors: 황윤재, 김기오, 차원석, 배병철, 김재현, 임명섭
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AFPM(Axial Flux Permanent Magnet)은 일반적인 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)에 비해 높은 토크 밀도를 가진다고 알려져 모터의 체적과 무게가 제한적인 자동차의 구동 모터나 항공⋅드론 분야 등에서 각광받고 있다. 하지만 AFPM은 RFPM과 달리 축방향으로 등가화 할 수 없어 정확한 해석을 위해서는 Fig.1 (a) 와 같은 3차원(3D) 유한요소해석(FEA)이 요구된다. 3D FEA는 2차원(2D) FEA에 비해 많은 시간이 소요되고 이는 다량의 해석을 요구하는 설계과정에 걸림돌이 된다. 이것을 해결하기 위해 3D 모델을 Fig.1 (b)와 같이 리니어 모델로 등가화 하고, 다시 Fig.1(c)와 같이 2D FEA를 이용할 수 있는 형태로 변환시키는 Conventional Quasi-3D기법이 일반적으로 이용된다. Conventional Quasi-3D 기법을 이용하면 AFPM의 일부 성능을 유사하게 추정할 수 있으나, 반경방향 누설 자속이 무시되기 때문에 토크 리플과 유기 전압에서는 차이가 발생하는 단점이 존재한다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 Fig.1 (d)와 같이 반경방향 자속 누설 경로를 고려한 Improved Quasi-3D 기법을 제시한다. 누설경로 반영은 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 반경 방향으로 자속이 누설되는 경로를 반원통 형태로 가정하고 해당 경로의 퍼미언스를 계산한다. 이에 대해 2D 상에 존재하는 누설 경로의 퍼미언스에 대한 비율을 산정하여 2D 상에 부여할 수 있는 비투자율을 계산한다. 해당 비투자율을 Conventional Quasi-3D 모델의 슬롯 또는 자석 사이 공기 영역에 부여한다. 이러한 비투자율은 고정자와 회전자 형상의 변화에 따라 영역을 나눠 각각 계산된다. 모터 내측과 외측 누설 경로는 2개로 나누어진 Conventional Quasi-3D 모델에 각각 반영된다. Improved Quasi-3D 모델을 이용하면 다양한 부하 상황에서 토크와 토크 리플을 더욱 정확하게 예측할 수 있다. Fig. 2는 각각 (a)무부하, (b)저속고토크, (c)고속저토크에서의 토크 파형을 나타낸다. 평균 토크와 토크 리플 모두 Improved Quasi-3D 기법의 결과가 3D FEA와 더 높은 정합성을 보인다.