스위치 릴럭턴스 전동기(이하, SRM)은 최근 15년 동안 학술 연구 및 산업응용 분야에서 많은 관심을 받고 있다. SRM은 단순한 구조로 되어있어 외부충격에 강한 특성을 가지며 영구자석을 사용하지 않기 때문에 제조 단가가 낮은 장점이 있다.
SRM은 수년동안 토크 리플과 진동을 저감하기 위해 구조를 개선하는 방법만 중점적으로 연구되었다. 하지만 토크 리플과 진동 저감을 위해서만 설계된 복잡한 구조로 인해 단순한 구조를 기반으로 외력에 강인한 SRM의 장점을 살리지 못하는 문제가 발생한다. 또한 SRM의 설계와 관련된 논문들은 전동기의 본질인 자속경로와 포화도를 고려하지 않고 복잡하고 새로운 구조를 제시하는 경우도 많다.
SRM 설계에 대한 최초의 포괄적인 가이드라인은 Miller가 1993년에 제안하였으며, 이후 2001년에 Krishnan이 제안하였다. 모터의 특성을 분석하기 위해서는 유한요소법(이하, FEM)을 사용해야 하지만 당시에는 FEM이 지금처럼 대중적이지 않았고 관련된 기술이 그만큼 발전하지 못했다. 최근에는 여러가지 연구가 진행되어 FEM에 관련된 기술이 많이 발전하였지만 현재의 SRM 설계 방법은 여전히 20년 전에 발표된 가이드라인을 따르고 있다. 또한 SRM은 비선형 자기 특성으로 인해 설계가 어려우며 복잡한 수식을 사용한 설계방법을 제안하는 경우가 많다. 하지만 FEM의 해석결과를 기반으로 SRM의 비선형 특성을 관찰함으로써 간단하게 전동기의 설계가 가능하다.
본 논문에서는 체계적이고 실용적인 SRM 설계 방법론을 제안한다. 제안한 방법론에는 초기 파라미터 설정, 파라미터 및 구조 변경, 그리고 전체 최적화 세 단계로 구성되어 있다.
첫번째로 초기 파라미터 설정 단계에서는 SRM의 각 설계 파라미터들은 상호간의 비율에 따라 계산된다. 제안하는 초기 파라미터 설정에서는 출력 정격값과 부피가 정해져 있다는 가정하에 진행되며 축 외경의 값이 정해진 경우만 사용하여 전동기의 다른 파라미터를 조정할 수 있으며 여기서 kDr 은 고정자 외경에 대한 회전자 외경의 비율을 나타낸다. 이 단계에서 kDr 의 값을 다양하게 조정하며 분석적 계산을 수행하여 필요한 출력 전력을 얻을 수 있는 최적의 값을 찾을 수 있다.
두번째로 파라미터 변경 단계에서는 우선 FEM을 이용하여 공극 자속을 포함한 모터의 특성을 먼저 관찰한다. 그런 다음 이후 필요한 설계 목표를 충족하도록 하기위해 비균일 공극, 스큐(Skew), 폴슈(Pole-shoe) 등과 같은 여러 가지 방식으로 구조를 변경하는 과정을 진행한다.
마지막으로 전체 최적화 단계에서는 유전 알고리즘, 입자 군집 최적화 알고리즘, 인공신경망과 같은 알고리즘을 이용하여 설계를 마무리하는 단계이다. 이 단계는 필수적인 과정은 아니기 때문에 본 논문에서는 다루지 않는다.
제안한 방법론을 검증하기 위해 두 가지 연구 사례를 기반으로 비교 결과를 제시하였다. 파라미터 변경 시 전동기의 특성 관찰과 관련된 파라미터에 대한 논의, 비교 해석 과정과 SRM의 특성 개선을 위한 파라미터 변경과정을 통해 제안한 방법론은 체계적으로 SRM을 설계하는데 사용될 수 있고 전동기의 특성을 충분히 이해하면서 빠른 해석결과를 볼 수 있다는 장점이 있다.