탄소중립 달성을 목표로 온실가스 배출량을 감축하기 위해 전기 자동차 및 e-모빌리티에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 전기구동 시스템은 탑재된 배터리를 사용하기 때문에 구동 모터의 성능을 향상시키는 것이 중요하다.
본 논문에서는 헤어핀 권선 기술 적용과 모터의 형상 최적 설계를 통해 모터의 성능을 향상시켰다. 우선, 헤어핀 권선 기술을 적용하면 점적률의 향상으로 권선의 저항이 감소하며, 엔드턴의 높이가 낮아져서 동손이 감소하여 효율을 높일 수 있다. 본 논문에서는 헤어핀 권선 적용 시, 고속에서 AC 동손이 크게 발생하는 문제점을 고려하여 저속과 고속의 운전점에서 모터의 형상 최적 설계를 수행하였다. 저속의 운전점에서는 토크 리플을 최소화하였으며, 고속의 운전점에서는 철손과 AC 동손을 최소화하였다. 이때, 기본 모델의 평균 토크와 유기전압을 제약 조건으로 설정하여 기본 모델의 성능을 유지하였다.
최적 설계를 수행하기 위해 기존 모델의 Rib과 Bridge 두께를 변경하여 모터의 전자기적 특성을 향상시켰으며, 민감도 기법을 통해 영구자석 사이의 각도, 슬롯 오프닝 및 슬롯의 폭이 목적 함수와 제약 조건에 영향을 미치는 설계 변수임을 확인하였다. Optimal Latin Hypercube Design(OLHD) 기법을 적용하여 30 개의 실험점을 선정하였으며, 실험점들에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 이에 대한 결과를 기반으로 목적 함수와 제약 조건별 메타모델을 생성하였으며, Root Mean Square Error Test(RMSE Test)를 통해 최적의 메타모델을 선정하였다. 선정된 최적의 메타모델과 Sequential Two-point Diagonal Quadratic Approximate Optimization(STDQAO) 알고리즘을 결합하여 최적점을 도출하였다. 이에 대한 타당성을 검증하기 위해, 최적점에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. 그 결과, 제약 조건으로 설정한 평균 토크는 약 0.04 N·m 증가하여 기본 모델의 성능을 유지하였으며, 유기전압은 약 4.50 V 감소하여 기본 모델의 전압 제한을 만족하였다. 목적 함수로 설정했던 토크 리플의 경우 약 3.93 % 감소하였으며, 철손과 AC 동손의 합인 Total Loss는 약 25.83 W 감소하였다.