전자기-구조 연성 해석을 이용한 축 방향 자속 모터-마그네틱 기어 통합 모듈의 진동 특성 분석

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확장요약문

본 연구에서는 축방향 자속 영구자석(AFPM, Axial Flux Permanent Magnet) 모터와 축방향 동축 마그네틱 기어(AFCMG, Axial Flux Coaxial Magnetic Gear)를 결합한 통합 구동 모듈의 진동 특성을 전자기–구조 연성해석으로 분석하였다. 대상 모듈은 9슬롯 6극 AFPM 모터와 2단 AFCMG로 구성되며, 각 단의 감속비는 약 2.33:1과 5.14:1로 총 감속비는 약 12:1이다. 이에 따라 입력속도 3000 rpm에서 출력속도는 250 rpm이다. 영구자석에는 N42UH를 적용하였으며, 코어에는 연자성 복합재(SMC, Soft Magnetic Composite) 를 사용하였다. 요크 재질은 회전자의 자기회로 구성에 따라 스테인리스강과 SMC를 적용하였다.

전자기–구조 연성해석에는 Ansys Maxwell과 Mechanical을 사용하였다. 3차원 전자기해석을 통해 토크 특성과 주요 부품에 작용하는 시간 이력 전자기력을 산출하고, 이를 구조해석 모델의 대응 위치에 하중으로 적용하였다. 모달해석을 통해 주요 고유진동수와 모드 형상을 도출하고, 회전자 및 지지구조의 굽힘과 비틀림 특성을 분석하였다. 또한 전자기력의 주요 주파수 성분과 구조 고유진동수를 비교하여 공진 가능성을 검토하였다. 과도 구조해석에서는 주요 부품의 변위, 가속도 및 등가응력을 산출하고, 주파수 분석을 통해 지배적인 진동 성분과 전자기 가진성분의 대응 관계를 분석하였다.

해석 결과를 바탕으로 AFPM 모터와 AFCMG에서 발생하는 전자기력이 통합 모듈의 진동 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 공유 회전자를 포함한 주요 부품의 변위와 가속도 응답을 비교하여 진동응답이 상대적으로 크게 나타나는 부위를 확인하고, 등가응력 분포를 통해 응력 집중 위치를 파악하였다. 또한 전자기 가진주파수와 구조 고유진동수의 관계를 분석하여 공진 가능성을 검토하였다. 본 연구 결과는 회전자 형상과 지지조건의 개선 및 통합 모듈의 진동 저감과 구조적 안정성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있다.