최근 몇 년 동안 전기 기계 설계 산업은 교통의 전기화 그리고 환경 및 천연 자원 문제에 대응하여 빠르게 발전해 왔다. 이는 전기 모터 설계자들에게 새로운 도전으로 다가온다. 모터는 충분한 출력 전력과 토크 밀도 수준으로 더 효율적이고 컴팩트해야 하며, 대량 생산, 특히 항공 우주 또는 자동차 애플리케이션을 위해 설계되어야 한다.
모터 설계는 짧은 시간 내에 자율 주행 차량의 파워트레인 등 보다 광범위하고 복잡한 시스템의 일부로 개발되어야 한다. 모터 레벨 성능에서는 설계 프로세스 전체에서 상호 작용하는 서로 다른 물리적 영역을 고려해야한다.
전기 모터 설계 단계
전기 모터 분석은 사양 요구 사항에서 시작한 다음, 추가 최적화를 위한 개념 설계를 찾는 것을 목표로 예비 설계 단계로 진입한다. 그런 다음 초기 설계는 특정 제약 조건 및 목표에 따라 최적화된다. 마지막 단계에서는 최적의 솔루션에 대한 결정을 내려 상충되는 성능 기준 간의 절충안을 찾는다.
예를 들어, 한 층의 V형 자석을 가진 IPM 전동기의 경우 극을 형성하는 두 자석 사이의 각도를 늘리면 기계의 출력 토크 기능이 저하되는 경향이 있다. 동시에 고속 작동 시, 로터 구조 내의 최대 응력도 감소한다. 저속에서의 최고 성능과 고속에서의 로터 구조적 무결성 사이에는 분명한 절충안이 존재한다.
최적의 절충안 시나리오를 파악하려면 최적화 분석이 필요하다.
한 층의 V형 자석을 가진 Interior permanent magnet(IPM, 매입형 영구 자석) 전동기는 두 자석의 각도를 늘리면 출력 토크 기능이 저하되고 고속 작동 시 로터 구조 내에서 최대 응력이 감소한다.
전기모터를 위한 효율적인 최적화 워크플로우
효율적인 최적화 워크플로우를 위해서는 다중 물리 분석이 필요하다. 기계의 성능은 전체 속도 범위 내에서 평가되어야 하며, 저속, 중속 그리고 고속에서의 성능을 알아야 하고 설계 공간 내에서 이 성능이 어떤 영향을 받는지 이해해야 한다
일반적으로 설계 공간은 상당히 크며, 최적화 전략을 모색하는 독립 변수들 사이에는 상호작용이 있다. 요약하자면, 최대 속도 범위에서 기계의 다중 물리 설계 특성을 포함하는 최적화 전략을 찾아야한다.
또한 설계 결정을 추적하면서 기계 성능을 신속하게 절충하고 사양 요구 사항의 변경으로 인한 영향을 평가할 수 있는 워크플로우를 찾아야한다.
대리 모델 기반 최적화 전략은 위와 같은 요구 사항을 완벽하게 충족한다. 워크플로우는 일반적으로 4가지 주요 단계로 구성된다.
- 민감도 분석
- 메타 모델 생성
- 최적화 알고리즘
- 검증
먼저 민감도 분석부터 시작하는데 이 단계는 설계 공간 전체에 걸쳐 성능 데이터 세트를 추출하는 것으로 구성된 변동 연구로 시작된다. 그런 다음 추출된 데이터를 분석하여 입력 변수 변경에 대한 모든 출력 매개 변수의 민감도를 평가한다.
다음으로, 민감도 데이터는 최적의 예상 메타 모델(MOPs, metamodel of optimal prognosis)을 구축하는 데 사용되어 모든 최적화 관련 출력에 대한 최적의 부분 공간을 보여준다.
특정 성능 출력(예: 최대 피크 출력과 최대 연속 토크)에 초점을 맞춘다면 이러한 출력이 설계 공간 내에서 어떻게 변화하는지, 어떤 변수가 가장 큰 영향을 미치는지 알 수 있다. 저속에서의 연속 토크는 길이 변화에 의해 큰 영향을 받는 반면, 피크 출력은 주로 분할 비율에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 이미 기계 설계에서 상충되는 몇 가지 성능을 절충할 수 있다.
마지막으로, 최적화 도구는 주어진 목표와 제약 조건을 가진 대리 모델에 직접 적용된다. 최적화가 다중 목표를 가지고 있는 경우 솔루션 공간 내에서 목표가 서로 충돌할 수 있는 방법을 보여주는 파레토 프론트(다중목적함수 최적해 집합)를 사용하여 최상의 결과를 해석할 수 있다.
워크플로우의 마지막 단계는 검증이며, 여기서 메타 모델 기반 최적화 결과(반응 표면 함수에 적용된 최적화 프로그램에서 얻음)는 최종 Ansys Motor-CAD 실행에 대해 검증된다.
전기 모터 설계 최적화는 복잡하고 다원적이며 종종 비선형적이다. 여기엔 엔지니어가 성능 충돌로 인해 필요한 설계 절충안을 평가하는 다중 목적 및 다중 제약 시나리오가 포함된다.
Ansys Motor-CAD는 전기 모터의 빠르고 정확한 성능 예측을 위한 분석 및 유한 요소 분석(FEA) 방법을 결합한 선도적인 전기 모터 설계 도구이다. 전체 작동 범위에서 다중 물리 시뮬레이션이 가능하며, Motor-CAD는 Ansys optiSLang과 결합되어 최적화 전략의 기회를 제공한다. 이에 따라 시스템 수준 트레이드 오프를 가능하게 하며, 전기 모터 설계자는 설계 공간에 대한 사양 변경을 신속하게 실험할 수 있다.
출처 : Ansys How to Efficiently Optimize Electric Motor Design
