축 방향 자속 모터의 영구자석 사용량 절감 및 토크 특성 개선을 위한 Consequent pole 모터의 최적 설계

Optimal Design of a Consequent-Pole Motor for Reducing Permanent Magnet Usage and Improving Torque Characteristics in Axial Flux Motors

본 논문은 축 방향 자속 영구자석(AFPM: Axial Flux Permanent Magnet) 모터의 영구자석 사용량을 절감하고 토크 특성 개선을 위해 Consequent pole(CP) 구조를 적용한 최적 설계를 수행했다. CP 구조가 적용된 모터는 출력이 감소하고 토크 특성이 악화된다. CP 구조의 단점을 극 형상 최적화를 통해 개선한다. 이중 회전자 구조를 가지는 초기 모터의 한 극에 CP 구조를 적용하고, 극 형상에 따른 4개의 설계 변수를 선정한다. 설계 변수의 변경 가능한 범위에서 50개의 실험점을 생성하고 이를 3차원 유한요소법을 사용해 특성을 획득한다. 실험점과 획득한 데이터를 기반으로 근사화 모델을 생성하고, 근사화 모델을 사용해 설계 변수를 최적화한다. 최적 설계 수행 결과, CP가 적용된 최적 모델은 초기 모델보다 자석 사용량이 39.19% 절감되었다. 평균 토크는 2.9% 증가하였으며 토크 리플은 8.09% 저감되었다. 효율은 0.42% 증가하여 93.88%를 나타냈다.

This paper presents an optimal design of an axial flux permanent magnet (AFPM) motor incorporating a Consequent pole (CP) structure to reduce the usage of permanent magnets and improve torque characteristics. When a CP structure is applied, the motor output decreases and torque performance deteriorates. To overcome these drawbacks, pole-shape optimization is employed. In the initial double-rotor motor, one pole adopts the CP structure, and four design variables related to pole geometry are selected. Within the defined ranges of the design variables, 50 sample points are generated, and their characteristics are obtained through three-dimensional finite element analysis (3D FEM). Based on the sample data, a surrogate model is constructed and used to optimize the design variables. As a result of the optimal design, the CP-based motor achieved a 39.19% reduction in magnet usage compared to the initial model. In addition, the average torque increased by 2.9%, torque ripple decreased by 8.09%, and efficiency improved by 0.42%, reaching 93.88%.