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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 74, No. 03, p.432-439

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 17 Oct. 2024Revised : 31 Oct. 2024Accepted : 16 Jan. 2025

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2025.74.3.432

할박배열을 고려한 수중운동체용 AFPM 전동기 설계 및 해석

Design and Performance Analysis of Axial Flux Permanent Magnet Type Electric Motor for Underwater Vehicle Considering Halbach Array

홍도관 (Do-Kwan Hong) ^†iD 이재길 (Jae-Gil Lee) ¹iD 정연호 (Yeon-Ho Jeong) ²iD 김광덕 (Kwang-Deok Kim) ³iD 박일환 (Il-Hwan Park) ³iD

(Electric Machine and Drive Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Republic of Korea. / Dept. of Energy Conversion Engineering, University of Science and Technology, Republic of Korea. E-mail : leejg@keri.re.kr )
(Electric Machine and Drive Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Republic of Korea. E-mail : yhjeong@keri.re.kr )
(Dept. Special Motor Design Team, Hyosung Heavy Industries Corporation, Republic of Korea. E-mail : kkduck@hyosung.com, pih78@hyosung.com)

^†Corresponding Author : Electric Machine and Drive Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Republic of Korea. / Dept. of Energy Conversion Engineering, University of Science and Technology, Republic of Korea. / Electric Machine and Drive Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Republic of Korea. E-mail : dkhong@keri.re.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

This study presents a design and analysis of 00kW AFPM (Axial Flux Permanent Magnet) motor for a direct-drive electric propulsion system of an underwater vehicle. In order to secure redundancy in a fault situation, the combination of the number of pole and slots that can be implemented in 3-phase/6-phase was selected. Then the electromagnetic performance according to the outer diameter of the motor and the battery voltage, various electrical steel properties (isotropic, anisotropic, cobalt steel), and the application of Halbach array of permanent magnets were compared and analyzed through 3-D electromagnetic analysis. Consequently, the design combination of outer diameter, electrical steel, and Halbach array with the high performances satisfying the required conditions was adopted. Finally, the characteristic variations according to the overhang of the permanent magnets and rotor core in radial direction were presented.

Key words

Anisotrophy material, CoFe material, Non-Halbach/Halbach array, SSDR type AFPM

1. 서 론

일반적으로 전동식 파워트레인 기술은 다음과 같이 2가지 형태로 나눠질 수 있다. 기어가 없는 저속 고토크 전동기 직구동 (DD : Direct-Drive) 방식과 고속전동기-기계식 감속기어(동력전달장치)를 이용한 간접구동 방식이다. 전동기 직구동 방식은 큰 토크를 내기 위해 전동기의 직경이 크고 길이가 길어져 무게가 많이 나가는 단점이 있으나, 기계식 기어의 다양한 문제가 없는 장점이 있다. 반면, 전동기-기계식 감속기어의 간접구동 방식은 직경이 작은 고속저토크 전동기와 감속기어로 기어비 만큼 토크를 향상시키는 간접구동 방식으로 직구동 방식에 비해 소형화와 경량화가 가능한 장점은 있지만, 소음진동 문제와 접촉 구동으로 인한 마모 등의 유지보수 문제가 발생하는 단점이 있다. 수중 무기체계에 적용된 수중운동체용 전기추진기는 대부분 고속전동기와 기계식 감속기어가 적용된 전동식 파워트레인 기술이 일반적으로 널리 활용되고 있다. 하지만 이러한 방식은 진동/소음/전자기 노이즈로 인해 성능 저하요인이 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 성능저하 요인을 극복하기 위해서 전동기 직구동 방식을 채택하였다. 전동기는 대표적으로 자속의 경로가 반경방향으로 형성되는 반경방향 자속 (Radial flux) 방식과 축방향으로 형성되는 축방항 자속 (Axial flux) 방식으로 나눌 수 있다. 최근 일반적인 반경방향 자속 방식에 비해 다소 직경은 크지만, 유기전압에 따른 고토크와 높은 출력밀도 구현이 가능한 AFPM (Axial Flux Permanent Magnet) 전동기 개발이 활발히 진행되고 있다. 메르세데스-벤츠 그룹이 AFPM 전문개발 기업인 영국의 YASA (Yokeless And Segment Armature) 기업을 인수하면서 전면적인 전기화 전략의 일환으로 추진하고 있으며, 당장 적용할 수 있는 Mercedes-AMG 고성능 전기자동차용으로 적용하기 위한 AFPM 전동기의 양산 개발을 활발히 진행하고 있다. AFPM 전동기는 고정자 요크를 제거하고 분할된 전기자를 사용하거나 직경을 크게 하면 토크밀도를 향상시키는 특징이 있으며, 상대적으로 구리, 전기강판, 영구자석 등의 재료 사용량을 줄여 비용 절감과 환경 친화성을 높이고 저비용 대량 생산이 가능하다.

본 논문은 국방핵심기술과제의 연구성과의 결과로 수십kW급 (출력은 대외비) AFPM 전동기 기술을 개발하여 수중운동체에 적용하는 것을 목표로 한다 ^[1]. 직구동 AFPM 전동기를 3상/6상 구동이 가능한 다양한 극수 슬롯수 조합을 검토하여 선정하였으며, 3차원 전자계 해석을 통해 다양한 제약조건과 요구특성에 만족하는 성능해석 결과를 비교 제시하였다. 3차원 해석의 경우 많은 해석시간이 요구되기 때문에 1/2모델로 해석을 수행하였다. 다음 단계로 높은 요구성능을 만족할 수 있는 방안으로 고출력 재료 (전기강판, 영구자석)와 직경 및 배터리 전압의 변화에 따른 성능 변화를 고찰하였다. 마지막 단계로 영구자석의 할박배열 (Halbach array) 및 영구자석 오버행 유무 등을 고려하였다 ^[2].

2. AFPM 전동기 설계 및 해석

AFPM 전동기는 수중운동체의 여러 핵심부품 중 심장역할을 하는 주요 핵심부품이며, SSDR (Single Stator Double Rotor) 구조를 채택하였다. 또한 3상/6상 구동이 가능한 다양한 극수 슬롯수 조합 중 극수가 낮은 3개의 조합 (10극 12슬롯, 12극 72슬롯, 14극 12슬롯 등)을 선별하였으며, 제작성을 고려하여 적절한 슬롯수를 갖는 2개 조합 (10극 12슬롯, 14극 12슬롯)중 극수가 상대적으로 높은 14극 12슬롯을 선정하였다. 또한 고출력 전동기 개발을 위해서 다양한 고성능 소재를 적용하였으며, 가성비를 고려하여 고정자의 적용 재료로 방향성 (이방성) 전기강판과 회전자의 영구자석 재료로 N48 네오디뮴 영구자석을 적용하였다. 참고문헌에 의하면 AFPM과 RFPM 전동기를 비교하면 극수와 직경대 길이비에 따라서 토크밀도 결과가 다양하게 나타나는 것을 확인할 수 있다 ^[3]. AFPM 전동기는 길이보다 직경이 클 경우, 즉 0.8 이하일 때 유의한 결과를 나타내며, 0.3 이하일 때 극수가 증가할수록 토크밀도가 증가한다. 하지만 극수가 증가할수록 제어주파수가 증가하여 스위칭 주파수가 증가하는 단점이 있어서 적절한 극수를 선정할 필요가 있다.

2.1 수중운동체 및 핵심부품의 주요설계 사양

본 연구에서는 3상/6상 구동, 할박배열 유무, 스위칭 주파수, 제작성 등을 고려하여 그림 1에서와 같이 14극 12슬롯 조합을 선정하였다. 또한 표 1에 AFPM 전동기의 극수 슬롯수, 공극 등 주요 사양과 적용된 재료를 나타내었다.

대표적으로 고정자는 가성비가 뛰어난 이방성 전기강판(23PHD085), 회전자는 등방성 전기강판(20PNF1200)을 채택하였다. 최대 출력 시 영구자석의 와전류 손실에 의한 발열 등을 고려하여 영구자석 물성을 N48UH (100℃)로 적용하였다.

그림 1. 할박/비할박배열 AFPM 전동기 (3차원 1/2 모델)

Fig. 1. Halbach/Non-Halbach array AFPM Motor (3-D 1/2 model)

표 1 AFPM 전동기의 설계 사양 및 적용 재료

Table 1 Specifications and used material of AFPM motor

Item	Value
No. of phase	3/6
Pole-Slot Combination	10-12/14-12
Mechanical airgap (mm)	1
Stator, Rotor core	23PHD085, 20PNF1200, VACOFLUX 48
Magnet	N48UH (100℃)

2.2 AFPM 전동기 설계 및 출력 방정식

전기추진기의 기본설계 검토 단계에서 최외경을 고려하여 전동기 극-슬롯 수 조합 범위를 선정하였다. 6상 설계가 가능하며, 출력 특성이 높은 3가지 (10극 12슬롯, 12극 72슬롯, 14극 12슬롯 등)중 슬롯수가 적절한 14극 12슬롯을 선정하였다. 그리고 아래와 같은 절차로 설계를 수행하였다.

권선의 극수-슬롯수 조합 조건은

(1a)

$Ns/(m×T) ∈ 정수$

또는,

(1b)

$Ns/(2×m×T) ∈ 정수$

이며 (여기서, Ns는 슬롯수, m은 상수, T는 극쌍수와 슬롯수의 최대공약수), 상간 위상차가 동일한 대칭성 다 상은 식 (1a)가 적용되고 Dual 3상(6상)과 같은 비대칭성 다 상은 식 (1b)가 적용된다.

표 2 극수-슬롯수 조합에 따른 6상 권선의 권선계수

Table 2 Winding factor of dual 3-phase windings according to pole-pairs and slot number

N_s 2N_p	12	18	24	36
10	0.966	×	0.958	0.975
12	×	×	×	×
14	0.966	×	0.958	0.956
16	×	×	×	×
18	×	×	×	×
20	×	×	0.966	×

슬롯에 배치된 각 상 코일의 도체 분포로부터 권선계수를 계산할 수 있으며^[4,^5], 6상 전동기의 극수-슬롯수 조합에 따른 권선계수를 나타내면 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 6상 조합의 경우 대부분 3상이 가능하기 때문에 6상이 가능한 조합만을 나타냈으며, 다상 전동기 극-슬롯 수 조합 선정 프로세스는 그림 2와 같은 단계를 고려하여 선정하였다.

그림 2. 다상 전동기 극-슬롯 수 조합 선정 프로세스

Fig. 2. Pole-Slot combination selection of multiphase motor

AFPM 전동기의 일반적인 출력 방정식은 다음 식과 같이 표현 할 수 있다^[6].

(2)

$P_{out}=\dfrac{1}{1+K_{ϕ}}\dfrac{m}{m_{1}}\dfrac{\pi}{2}B_{g}A\dfrac{f}{p}\eta K_{e}K_{i}K_{p}K_{L}\left(1-\lambda^{2}\right)\left(\dfrac{1+\lambda}{2}\right)D_{o}^{2}L_{e}$

여기서,

표 3 수식 (2)의 설명

Table 3 Description of the equation (2)

기호	단위	초기값	명칭
Kф	-	1.0	전기장하 비율(Ar/As)
m	-	3	상수
m1	-	3	각 고정자의 상수(한 개 이상의 고정자가 있는 경우에)
Bg	T	0.8∼1.0	공극 자속밀도
A	A/m	50×103	총 전기장하(As+Ar)
f	Hz	583	전기 주파수
p	-	5, 7	극쌍수
η	-	0.92	효율(<1.0)
Ke	-	π	권선계수와 자극비의 곱

전류 파형계수 (Ki), 전력 파형계수 (Kp), AFPM 전동기의 유효길이에 대한 외측면 직경의 비율 (KL), 고정자 전기장하 (As), 그리고 전동기의 내측면과 외측면의 직경 비율 (λ)은 다음 식과 같이 표현된다.

(3a)

$K _{i}=\dfrac{I _{pk}}{I _{{s}}}$ ,

$K _{p}=\dfrac{1}{T}\int_{0}^{T}\dfrac{e(t)i(t)}{E _{pk}I _{pk}}dt$ ,

$K_{L}=\dfrac{D_{o}}{L_{e}}$

(3b)

$A_{s}=2m_{1}N_{ph}\dfrac{I_{{s}}}{\pi D_{g}}$ ,

$\lambda =\dfrac{D_{o}}{D_{i}}$

여기서,

표 4 수식 (3)의 설명

Table 4 Description of the equation (3)

기호	단위	초기값	명칭
I_pk	A	155.6	상전류의 최대값
I_rms	A	110	상전류의 실효값
e(t)	V	430	유기 기전력
i(t)	A	155.6	전류
E_pk	V	430	무부하 기전력의 최대값
N_ph	-	44	상당 직렬 턴수
D_g	m	135	평균 공극 직경
D_o	m	200	고정자 외측 직경
D_i	m	70	고정자 내측 직경

본 논문에서 설계하는 TORUS 형태를 갖는 AFPM 전동기의 평균 전자기 토크 (Te)는 방정식 (2)를 기반으로 다음 식과 같이 정리된다^[6,^7].

(4)

$T_{e}=\dfrac{\pi}{4}B_{g}K_{i}K_{p}A_{s}\left(1-\lambda^{2}\right)\left(\dfrac{1+\lambda}{2}\right)D_{o}^{3}$

방정식 (2)와 (4)를 살펴보면, 내측과 외측 표면의 직경 비율을 적절히 결정하는 것이 AFPM 전동기의 제한된 부피를 고려하여 요구되는 설계 사양을 달성하는 데 중요하다. 또한 전기장하, 자기장하, 그리고 공극 자속밀도와 같은 특성 파라미터도 적절하게 결정해야 한다.

2.3 초기설계 및 해석

수십kW급 AFPM 전동기 초기설계를 위해 SSDR 구조의 3상/6상이 가능한 14극 12슬롯 모델에 할박/비할박배열 영구자석이 적용된 AFPM 전동기의 3차원 1/2 해석모델을 기준으로 성능해석을 수행하였다.

그림 3은 영구자석이 축방향으로 착자된 비할박배열 모델과 축방향 착자 및 원주방향 착자된 영구자석이 교번되게 배치하여 공극부에 자속을 집중할 수 있는 할박배열 AFPM 전동기의 자속밀도 분포 해석결과를 나타낸다. 할박배열 모델의 경우 비할박배열에 비해 공극부에 자속이 집중되어 회전자 백코어 측 자속 저감으로 코어의 자속밀도가 낮아짐을 확인할 수 있다^[8,^9].

그림 3. 할박/비할박배열 AFPM 전동기의 자속밀도 분포

Fig. 3. Flux density distribution of Halbach/Non-Halbach array AFPM motor

2.4 고정자 재료에 따른 성능비교

수십kW급 AFPM 전동기 초기설계를 위해 그림 4와 같이 다양한 고정자 재료 (23PHD085, 20PNF1200, VACOFLUX 48)의 BH커브를 고려하여 성능비교를 수행하였다^[8]. 그림 5는 고정자 재료에 따른 다양한 성능비교 결과를 나타낸다. 고조파 철손을 저감할 수 있는 대표적인 등방성 전기강판인 포스코 20PNF1500, 변압기 등의 전력기기에 사용되는 이방성 전기강판인 23PHD085와 고출력 코발트 철심인 VACOFLUX 48을 고정자 코어 재료로 고려하여 성능을 비교하였다. 그림 5 (a)는 약 OOkW 출력을 내기 위한 토크와 요구 전류를 나타내며, 고정자 재료별 입력 전류 변화를 고려할 때 고정자 코어 재료 적용 VACOFLUX48, 23PHD085 및 20PNF1500 순으로 요구 전류의 차이를 확인하였다.

그림 4. 전기강판 종류에 따른 B-H 커브

Fig. 4. B-H curve of electrical steel

그림 5. 고정자 3종 재료에 따른 다양한 성능비교 (할박배열, 턴수 11턴(11.46mΩ))

Fig. 5. Various performance comparison according to change stator thress materials (11 turn(11.46mΩ), Halbach array)

그림 5 (b)는 요구전류에 따른 동손과 소재에 따른 철손 특성의 차이로 23PHD085, VACOFLUX48 및 20PNF1500 순으로 효율의 변화를 확인하였다. 그림 5 (c)는 선간전압 최대치를 나타내며 전원사양을 고려할 때 약 15%이상 마진으로 설계됨을 확인하였다. 입력 전류는 이방성 전기강판인 23PHD085가 더 요구되지만, 전체 효율 측면에서는 유사하게 나타났고, 재료비를 고려할 때 종합적으로 이방성 전기강판인 23PHD085가 가장 적절한 것으로 평가되었다.

2.5 최외경/배터리 전압 변화에 따른 성능비교

다음으로 AFPM 전동기의 최외경 (D155/D165)과 배터리 전압 변화 (450Vdc/600Vdc)에 따른 성능비교를 검토하였다. 식 2의 출력 방정식을 고려할 때 전동기 출력은 최외경의 변화의 제곱에 비례하기 때문에 최외경의 변화를 155mm에서 165mm로 상호 비교를 고려하였다. 또한 직경 변화 시 입력 전압의 한계 변화를 450Vdc와 600Vdc를 고려하여 턴수도 11턴과 16턴으로 비교 검토하였다.

그림 6의 해석조건은 적용 재료는 20PNF1500으로 동일하게 두고 할박배열을 적용하였다. 최외경 변화에 따라 전류의 변화로 출력을 맞추고 배터리 전압 변화에 따라 턴수의 변화로 전압제한치를 맞추면서 다양한 성능비교 결과를 나타낸다. 그림 6 (a)는 최외경과 배터리 전압 변화를 고려하여 출력을 내기 위한 토크와 전류 결과를 나타낸다. 최외경과 배터리 전압 변화를 고려할 때 직경이 클수록 배터리 전압이 크게 제공될수록 요구토크를 만족하는 입력전류가 적게 요구되는 것으로 확인되었다. 최외경과 배터리 전압 증가에 따른 그림 6 (b)와 같이 효율의 변화를 보면 직경이 크고 배터리 전압이 더 허용될수록 턴수가 증가하여 입력전류가 감소하여 효율이 증가하게 된다. 그림 6 (c)는 선간전압 피크를 나타내며 전원사양을 고려할 때 적절한 마진으로 설계됨을 확인하였다.

그림 6. 최외경/배터리 전압 변화에 다양한 성능 비교 (비할박배열, 턴수 11턴(11.19mΩ)/16턴(23.88mΩ))

Fig. 6. Various performance comparison according to change outer diameter/battery voltage (Non-Halbach array, 11 turn/16 turn)

2.6 할박 배열 유무에 따른 비교

앞서 출력밀도를 향상시키기 위해 회전자의 영구자석을 할박 배열로 검토하였다. 할박 배열의 경우 출력은 향상되지만, 상대적으로 비할박배열에 비해 다소 제작상에 어려움이 있으므로 두 가지 결과를 서로 비교 검토하였다.

그에 따라 효율은 할박배열이 비할박배열에 비해 약 2%가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그림 7의 비교 결과를 통해, 전동기 최외경과 배터리의 입력전압이 클수록 입력전류가 낮고 큰 토크를 얻는 것으로 평가되었다. 또한 할박배열 영구자석 적용을 통해 효율과 역률이 향상되었으며, 요구특성을 만족하는 것을 확인하였다.

그림 7. 할박 배열 유무에 따른 성능 비교 (턴수 11턴)

Fig. 7. Various performance comparison according to change Halbach array/Non-Halbach array (11 turn)

2.7 고출력 모델 및 PM overhang 유무에 따른 비교

앞선 결과를 바탕으로 출력밀도를 보다 향상시키기 위해 회전자의 영구자석을 할박 배열로 적용하고, 고정자 코어는 이방성 전기강판인 23PHD085을 채택하였다. 또한 최외경을 165mm로 하고 배터리 전압을 600Vdc로 고려하였다.

그림 8. AFPM 전동기의 회전자 오버행 모델

Fig. 8. Rotor overhang models of AFPM electric motor

표 5 AFPM 전동기의 설계 사양 및 적용 재료

Table 5 Specifications and used material of AFPM motor

Description	Rated point
Description	No overhang	PM overhang	PM+core overhang
Outer diameter (overhang diameter) (mm)	φ165(φ177)
Torque@ripple (Nm@%)	107 @6.67	107 @7.62	106 @8.21
Current (A_rms)	121	109	107
Current density (A_rms/mm²)	12.63	11.19	10.98
Line-Line Voltage (V_peak/V_rms)	535/346	507/350	520/353
Efficiency (%)	95.18	95.2	95.13
Total loss (W)	2,844	2,831	2,877
Copper (AC/DC)	(//1,084)	(//852)	(//820)
PM (N48UH) +Rotor core (20PNF1500)	853	1,028	1,076
Iron (23PHD085)	907	951	981
Resistance (mΩ))	23.88
Phase inductance (mH)	0.384
Torque constant (Nm/A_rms)	0.88	0.98	0.99
Bemf constant (V_{LL_0-peak}/krpm)	80.8	85.2	86
Total weight (kg)	10.48	11.09	11.63
- Copper (kg)	2.36	2.36	2.36
- PM (N48UH) (kg)	2.40	3.01	3.01
- Rotor core (20PNF1500) (kg)	2.13	2.13	2.67
- Iron (23PHD085) (kg)	3.59	3.59	3.59
Power density (kW/kg)	5.35	5.05	4.78

그림 9. 회전자 오버행 모델의 자속밀도 분포

Fig. 9. Flux density distribution of rotor overhang models

그리고 일반적으로 반경방향 자속 영구자석 전동기는 축방향으로 회전자의 영구자석 길이를 더 길게 고려하여 출력을 향상시키는 오버행 (overhang) 방법이 있다. 축방향 자속 영구자석 전동기의 오버행은 영구자석이 내경 방향과 외경 방향으로 길이를 더 길게 한 형태가 되며 그림 8과 같다.

최종적으로 고출력 방안이 적용된 모델에 오버행 (기존 외경의 약 7.27% 증가) 유무에 따라서 결과를 비교하였으며 표 5에 그 결과를 제시하였다. 회전자의 오버행 (영구자석, 영구자석+코어 외경 증가)이 적용될 경우, 적용되지 않은 모델에 비해서 동일 토크를 위해 낮은 소요 전류로 인해 토크 상수가 향상되고, 이를 통해 동손 저감으로 발열 개선이 될 것으로 판단된다. 또한 효율이 다소 향상되었다.

하지만 토크리플이 다소 증가하며 무게 증가에 따른 출력밀도가 다소 감소하게 된다. 그러나 이전 2.4~2.6절의 비교 모델인 오버행 미적용 결과에 비해 오버행이 적용된 모델의 효율이 약 2~3% 향상되는 것을 확인하였다. 회전자의 오버행 (영구자석, 영구자석+코어)의 2가지 경우는 효율 측면에서 큰 차이가 없었으며 출력밀도로 보면 영구자석만 오버행을 적용하는 것이 적절한 것으로 평가되었다. 그림 9는 오버행 2개 모델에 대한 3차원 자속밀도 벡터분포 결과를 나타낸다. 그림에서 보면 회전자 오버행으로 인한 자속벡터가 고정자로 향하는 프린징 효과 (fringing effect)를 확인할 수 있다. 자기장하 증가에 따른 전류감소로 효율향상에 기여하는 것을 확인하였다.

3. 결 론

본 논문에서는 소형 고속 수중운동체의 요구조건을 충족하는 것을 목표로 AFPM 전동기의 설계 및 성능해석 기술을 제시하였다. 할박/비할박 타입의 영구자석 배열이 적용된 SSDR 구조의 AFPM 전동기에 다양한 고정자 재료와 최외경/배터리 전압 변화 및 회전자 영구자석의 오버행 유무에 따라서 3차원 전자계 해석에 의한 성능해석 결과를 비교 제시하였다. 고출력 전동기 개발을 위해서는 고출력 재료 (강판, 영구자석)의 사용과 함께 직경을 크게 하고 회전자 영구자석 오버행을 고려할수록 중량증가에 따른 출력밀도 감소는 있었으나, 자기장하 증가에 따른 전류감소로 효율향상에 기여하는 것을 확인하였다. 향후 시제작을 통해 성능해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하고자 한다.

Acknowledgements

이 논문은 2023년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원을 받아 수행된 연구임. (KRIT- CT-23-034)

References

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L. Shao, R. Navaratne, M. Popescu, and G. Liu, “Design and Construction of Axial-Flux Permanent Magnet Motors for Electric Propulsion Applications—A Review,” in IEEE Access, vol. 9, pp. 158998-159017, 2021. DOI : 10.1109/ACCESS.2021.3131000.

D. K. Hong, J. H. Park, and Y. H. Jeong, “Comprehensive Analysis of Dual-Rotor Yokeless Axial-Flux Motor with Surface-Mounted and Halbach Permanent Magnet Array for Urban Air Mobility,” Energies 2024, vol. 17, no. 1, 30, 2024. DOI : 10.3390/en17010030.

Y. Liu, Z. Zhang, C. Wang, W. Geng, and T. Yang, “Design and Analysis of Oil-Immersed Cooling Stator With Nonoverlapping Concentrated Winding for High-Power Ironless Stator Axial-Flux Permanent Magnet Machines,” in IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 68, no. 4, pp. 2876-2886, April 2021. DOI : 10.1109/TIE.2020.2978694.

저자소개

홍도관(Do-Kwan Hong)

has been with the Electric Machine and Drive Research Center of Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), as a Principal Researcher. He received a Ph.D. degree in mechanical engineering from Dong-A University in 2004. His research interests include design, optimization, multiphysics performance analysis, and experimental validation of the performance of high-speed, high-torque and high-power machines for a variety of industrial applications and all-electric propulsion applications, such as non-contact coaxial magnetic gears for Contra-Rotating Proellers and electrically driven machines. Since 2015, he has been a professor with the Electric Energy Conversion Engineering, University of Science and Technology, Changwon

이재길(Jae-Gil Lee)

has been working at the Electric Machines and Drives Research Center of Korea Electrotechnology Research Institute (KERI) Changwon, South Korea. He received a Ph.D. degree in electrical engineering from Seoul National University in 2020. From 2020 to 2021, he was with the Korea Electronics Technology Institute (KETI), Bucheon, South Korea, as a postdoctoral researcher. His recent research interests include analysis and optimal design of electrical machines for electric propulsion systems. Since 2024, he has been an assistant professor with the Electric Energy Conversion Engineering, University of Science and Technology, Changwon

정연호(Yeon-Ho Jeong)

has been with the Electric Machine and Drive Research Center of Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), as a Principal Researcher. He received a Ph.D. degree in Electrical Engineering from Chungnam national university in 2007. His recent research interest is design and development of an electrical machine with high-power density and multi-phase for an electric ship and aerial vehicle propulsion.

김광덕 (Kwang-Deok Kim)

has been with the Special Motor Design Team of Hyosung heavy industries corporation, South Korea. He received a Master’s degree in department of electrical and computer engineering from Sungkyunkwan University in 2013. His research interests is design and development of an electric machine with high-power density for an electric propulsion systems.

박일환(Il-Hwan Park)

has been with the Special Motor Design Team of Hyosung heavy industries corporation, South Korea. He received a Master’s degree in electrical engineering from Pusan National University, South Korea in 2010. His recent research interests include the design optimization and analysis of permanent magnet machines for electric propulsion systems.

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Design and Performance Analysis of Axial Flux Permanent Magnet Type Electric Motor for Underwater Vehicle Considering Halbach Array

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. AFPM 전동기 설계 및 해석

2.1 수중운동체 및 핵심부품의 주요설계 사양

2.2 AFPM 전동기 설계 및 출력 방정식

(1a)

(1b)

(2)

(3a)

(3b)

(4)

2.3 초기설계 및 해석

2.4 고정자 재료에 따른 성능비교

2.5 최외경/배터리 전압 변화에 따른 성능비교

2.6 할박 배열 유무에 따른 비교

2.7 고출력 모델 및 PM overhang 유무에 따른 비교

3. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

홍도관(Do-Kwan Hong)

이재길(Jae-Gil Lee)

정연호(Yeon-Ho Jeong)

김광덕 (Kwang-Deok Kim)

박일환(Il-Hwan Park)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Design and Performance Analysis of Axial Flux Permanent Magnet Type Electric Motor for Underwater Vehicle Considering Halbach Array

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. AFPM 전동기 설계 및 해석

2.1 수중운동체 및 핵심부품의 주요설계 사양

2.2 AFPM 전동기 설계 및 출력 방정식

(1a)

(1b)

(2)

(3a)

(3b)

(4)

2.3 초기설계 및 해석

2.4 고정자 재료에 따른 성능비교

2.5 최외경/배터리 전압 변화에 따른 성능비교

2.6 할박 배열 유무에 따른 비교

2.7 고출력 모델 및 PM overhang 유무에 따른 비교

3. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

홍도관(Do-Kwan Hong)

이재길(Jae-Gil Lee)

정연호(Yeon-Ho Jeong)

김광덕 (Kwang-Deok Kim)

박일환(Il-Hwan Park)

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Key words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers