주요논문
산업용 라인 기동식 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 전동기의 회전자 돌극성 기반 설계를 통한 동기화 성능 개선 연구
- 2025 대한전기학회 하계학술대회
- 2025년 7월
- 위현우
최저 효율제(MEPS) 도입으로 기존 농형 유도기의 효율 등급 충족이 어려워져, 그 대안으로 본 논문에서는 LS PMa-SynRM 토폴로지를 소개하였고, 유도기로 동작하다가 동기기로 전환하여 동작해야하는 '동기화 과정'을 거쳐야 하는 LS PMa-SynRM 토폴로지 특성상 동기화 안정성을 확보해야하고, 이에 대한 설계 방법론을 본 논문에서 제안하였다.
핵심은 LS PMa-SynRM의 에너지 정의 관련 이론을 통해, Pull-in 에너지(Kₚ) ≥ 운동에너지(Kₛ_cr) 의 동기화 판별 조건을 만족하도록 설계하는 것이다.
위 에너지 관계를 통한 동기화 판별 조건에서, Pull-in 에너지 감소로 인해 동기화 성능 저해 요인인 자석 제동 토크를 줄이기 위해, 본 논문에서는 회전자 q축 노치 구조를 적용하였고, 이는 인덕턴스 돌극비(L_sd/L_sq)를 높히고, 인덕턴스는 Line Start의 고정 주파수 특성으로 인해 리액턴스 돌극비(X_sd/X_sq)의 향상으로도 해석될 수 있음을 설명하였다. 이는 수식에 따라 자석 제동 토크를 저감할 수 있음을 제시하였다.
동기화 검증은 동일 관성 조건에서 2D-FEA Dynamic 해석을 통해 기준 모델과 동기화 성능 개선 모델을 비교하였다. 해석상 동일 임계 회전 관성 계수=19 에서 기준 모델은 동기화에 실패했으나, 제안한 q축 노치 적용 모델은 동일 조건에서 동기화 성공을 보였다. 이는 q축 유효 공극 증가 → L_q 감소 → 인덕턴스 돌극비 증가 → 제동 토크 감소 → Pull-in 에너지 증가→ 동기화 성능 향상으로 해석할 수 있다.
핵심은 LS PMa-SynRM의 에너지 정의 관련 이론을 통해, Pull-in 에너지(Kₚ) ≥ 운동에너지(Kₛ_cr) 의 동기화 판별 조건을 만족하도록 설계하는 것이다.
위 에너지 관계를 통한 동기화 판별 조건에서, Pull-in 에너지 감소로 인해 동기화 성능 저해 요인인 자석 제동 토크를 줄이기 위해, 본 논문에서는 회전자 q축 노치 구조를 적용하였고, 이는 인덕턴스 돌극비(L_sd/L_sq)를 높히고, 인덕턴스는 Line Start의 고정 주파수 특성으로 인해 리액턴스 돌극비(X_sd/X_sq)의 향상으로도 해석될 수 있음을 설명하였다. 이는 수식에 따라 자석 제동 토크를 저감할 수 있음을 제시하였다.
동기화 검증은 동일 관성 조건에서 2D-FEA Dynamic 해석을 통해 기준 모델과 동기화 성능 개선 모델을 비교하였다. 해석상 동일 임계 회전 관성 계수=19 에서 기준 모델은 동기화에 실패했으나, 제안한 q축 노치 적용 모델은 동일 조건에서 동기화 성공을 보였다. 이는 q축 유효 공극 증가 → L_q 감소 → 인덕턴스 돌극비 증가 → 제동 토크 감소 → Pull-in 에너지 증가→ 동기화 성능 향상으로 해석할 수 있다.
Reliability-Based Robust Design Optimization of Magnetic Locking System for Automobile Trunks Using PSO Algorithm
- LDIA 2025
- 2025년 5월
- 위현우
기계식 래치 방식 트렁크의 소음 및 내구성을 대체할 전자식 MLS(Magnetic Locking System)을 대상으로, 무거운 중량으로 인한 비용 문제를 해소하기 위해 Locking on force는 유지하면서 중량을 줄이는 것을 이 논문에서 목표로 하였다. 또한, 확률 분포 이론에 따라 제조 공차에 따른 Locking on force의 편차가 크지 않은 모델을 선정하는 방식으로 MLS에 대한 Locking on force 강건 설계를 병행하였다.
설계 대상은 Magnetic module과 Contact plate이며, Locking on force는 Maxwell Stress Tensor 이론에 따라 공극 자속밀도의 제곱에 비례하다는 것을 알 수 있었다.
설계 모델의 3D 유한요소해석을 통한 자속분포도의 모듈 모서리측 낮은 자속밀도를 고려해 Magnetic module edge 챔퍼 설계를 수행하였다. 또한, OAT 민감도 분석법을 통해 총 14개 형상변수 각각 Locking on force와 Weight에 대한 민감도 분석을 진행하였고, Locking on force 유지 및 경량화를 위한 최적 설계 방향성을 최종적으로 정립하였다.
최적화는 입자 군집 최적화(PSO) 방식으로 수행하였고, 각 형상 변수 범위를 선정한 탐색공간 내에서 목적함수(Locking on force 유지, 중량 최소화)를 정의하여 3개의 경량화된 최적 모델을 도출하였다. 이 모델들은 기존 초기 모델 중량 대비 23.1% 경량화하였고, locking force는 유지되었다.
다음으로, 각 최적 모델의 강건성 평가는 Latin HyperCube Sampling(LHS) 기법을 통해 제조공차 범위 내 100개의 설계 변수 조합 샘플을 추출하였고, 각 샘플에 대한 전자계 해석을 수행하여 Locking on force를 확인하였다.(12변수 균일 공차, 모델당 100 샘플)
마지막으로, 정규 PDF 및 CDF 기반으로 목표 체결력 구간 내 확률을 비교하였고, 최댓값의 CDF 값을 갖는 모델을 가장 강건한 모델로 최종 선정하였다.
설계 대상은 Magnetic module과 Contact plate이며, Locking on force는 Maxwell Stress Tensor 이론에 따라 공극 자속밀도의 제곱에 비례하다는 것을 알 수 있었다.
설계 모델의 3D 유한요소해석을 통한 자속분포도의 모듈 모서리측 낮은 자속밀도를 고려해 Magnetic module edge 챔퍼 설계를 수행하였다. 또한, OAT 민감도 분석법을 통해 총 14개 형상변수 각각 Locking on force와 Weight에 대한 민감도 분석을 진행하였고, Locking on force 유지 및 경량화를 위한 최적 설계 방향성을 최종적으로 정립하였다.
최적화는 입자 군집 최적화(PSO) 방식으로 수행하였고, 각 형상 변수 범위를 선정한 탐색공간 내에서 목적함수(Locking on force 유지, 중량 최소화)를 정의하여 3개의 경량화된 최적 모델을 도출하였다. 이 모델들은 기존 초기 모델 중량 대비 23.1% 경량화하였고, locking force는 유지되었다.
다음으로, 각 최적 모델의 강건성 평가는 Latin HyperCube Sampling(LHS) 기법을 통해 제조공차 범위 내 100개의 설계 변수 조합 샘플을 추출하였고, 각 샘플에 대한 전자계 해석을 수행하여 Locking on force를 확인하였다.(12변수 균일 공차, 모델당 100 샘플)
마지막으로, 정규 PDF 및 CDF 기반으로 목표 체결력 구간 내 확률을 비교하였고, 최댓값의 CDF 값을 갖는 모델을 가장 강건한 모델로 최종 선정하였다.
산학프로젝트 / 현장실습ᆞ인턴십
자기 체결력 보존 가능한 경량화 Magnetic 모듈 연구
- 업체명
- 현대자동차
- 기간
- 2024. 03. 04 ~ 2025. 02. 28
ㅇ MagE 1.0 벤치마킹 분석
- Magnetic Locking 시스템 동작 메커니즘 분석
- 3D 전자계 수치해석 기반 자기 체결력 및 원형자석 회전 토크 분석
ㅇ 자기 등가회로 및 민감도 분석 기반 설계 방향성 수립
- MagE1.0 자기 등가회로 모델링 및 자기 체결력 분석
- 설계 변수에 따른 중량 및 자기 체결력 민감도 분석 수행
- 누설 자속 및 Contact Plate 자기저항 저감을 위한 최적설계 방향성 수립
ㅇ Dual Magnet Module 경량화 및 원형자석 회전 토크 저감 설계
- 제작성 및 설계 방향성을 고려한 설계 변수 선정
- 지능형 최적화 알고리즘 기반 경량화 및 원형자석 회전 토크 저감 설계 수행
ㅇ 신구조 Magnetic Locking 시스템 개발
- 신구조 Magnetic Locking System 적용 가능성 검토
- Single Magnet Module 경량화 및 원형자석 회전 토크 저감 설계 수행
벡터제어를 위한 Line Start-PMaSynRM 특성 분석 및 모델링 탐색 연구
- 업체명
- LS Electric
- 기간
- 2024. 06. 01 ~ 2024. 11. 15
ㅇ LS-PMaSynRM 운전 특성 분석 및 D-Q 모델링 방향성 검토
- 기동 운전, 정상상태 운전 및 다이나믹 특성 분석
- D-Q 모델링 및 제어 파라미터 추출 기법 연구
ㅇ LS-PMaSynRM의 저정도(Low Fidelity) 제어 파라미터 추출
- 수치해석 모델링을 통한 저정도 제어 파라미터 추출
- 저정도 제어 파라미터 기반 1D 시뮬레이션 검증
ㅇ LS-PMaSynRM의 고정도(High Fidelity) 제어 파라미터 추출
- 고정도 제어(MTPA)를 위한 고정도 제어 파라미터 추출 및 파라미터 맵 구축
- MTPA 및 V/F 제어를 위한 고정도 제어 파라미터 맵핑 및 검증
- 기동 운전, 정상상태 운전 및 다이나믹 특성 분석
- D-Q 모델링 및 제어 파라미터 추출 기법 연구
ㅇ LS-PMaSynRM의 저정도(Low Fidelity) 제어 파라미터 추출
- 수치해석 모델링을 통한 저정도 제어 파라미터 추출
- 저정도 제어 파라미터 기반 1D 시뮬레이션 검증
ㅇ LS-PMaSynRM의 고정도(High Fidelity) 제어 파라미터 추출
- 고정도 제어(MTPA)를 위한 고정도 제어 파라미터 추출 및 파라미터 맵 구축
- MTPA 및 V/F 제어를 위한 고정도 제어 파라미터 맵핑 및 검증
교육수료
[현장실습]
EPS 모터 생산 라인을 위주로 담당하여, 작업 캘린더 작성·불량율 현황 분석 및 생산 Cycle Time 분석을 통한 효율 동선 설계 /
전 생산 라인 대상 표준 점검 준수 실태 조사 및 엑셀·PPT 작성을 통한 표준 점검 준수 실태 보고회 발표 수행 ((주)효성전기)
기간 2022. 09. 01 ~ 2022. 12. 30
EPS 모터 생산 라인을 위주로 담당하여, 작업 캘린더 작성·불량율 현황 분석 및 생산 Cycle Time 분석을 통한 효율 동선 설계 /
전 생산 라인 대상 표준 점검 준수 실태 조사 및 엑셀·PPT 작성을 통한 표준 점검 준수 실태 보고회 발표 수행 ((주)효성전기)
기간 2022. 09. 01 ~ 2022. 12. 30
기타 대외활동
[자격증]
IoT지식능력검정
· 기간 2021. 06. 11
TOEIC
· Total 740 (LC 420, RC 320)"
· 기간 2023. 08. 20
----------------------------------
[국가기술자격증]
컴퓨터활용능력 1급
기간 2023. 02. 10
IoT지식능력검정
· 기간 2021. 06. 11
TOEIC
· Total 740 (LC 420, RC 320)"
· 기간 2023. 08. 20
----------------------------------
[국가기술자격증]
컴퓨터활용능력 1급
기간 2023. 02. 10
자기소개
성균관대학교 전자전기컴퓨터공학과 석사과정에서 전동기 설계·해석 및 최적화를 전공해 왔습니다. 관심 분야는 차량 SBW와 EPS 구동모터의 소형·경량화, Line‑Start PMa‑SynRM의 동기화 신뢰성 향상, Magnetic Locking System(MLS)의 경량·강건 설계입니다. 연구에서는 JMAG와 FEMM을 이용한 2D·3D FEA 모델링과 해석을 수행해 왔으며, PSO를 적용한 민감도 분석과 최적화를 병행해 왔습니다. 전압·전류 한계와 제조 공차 등 실무 제약을 함께 고려하여 결과를 정량 지표로 검증해 왔습니다.
경력경험기술서
[주요논문 연구분야]
EPS용 8극 6슬롯 Spoke IPMSM 토폴로지의 자계변조 효과를 확인하였고, 회전자·고정자 형상 최적화를 통해 기존 8극 12슬롯 모델 대비 토크 성능과 리플을 개선했고,
SBW 액추에이터용 축방향형 PM 모터에서는 단일 고정자의 두 가지 토폴로지를 비교하여 목표 토크를 만족하면서 모터의 사이즈를 최소화하는 최적 설계 기준을 정립했습니다.
자동차 트렁크용 Magnetic Locking System은 PSO 알고리즘과 LHS 기법을 통한 확률 분포 이론을 적용시켜, 체결력이 유지된 경량화 최적 모델 도출 및 제작 공차에 대한 체결력 강건성을 확보했으며,
산업용 Line‑Start PMa‑SynRM은 회전자 돌극성(q축 노치)을 활용해 자석 제동 토크를 저감하고 Pull‑in 에너지를 높여 동기화 신뢰성을 개선했습니다.
모든 과정에서 2D/3D FEA 기반의 민감도–최적화–강건성 절차를 공통 프레임으로 적용하여 성능·제약·제조성을 동시에 고려하는 설계 방식을 확립해 왔습니다.
[프로젝트 수행경험]
현대자동차 산학과제에서는 차량 트렁크용 자기 체결력을 보존하면서 경량화를 달성하는 Magnetic Locking 모듈에 대한 연구를 진행했습니다. MagE 1.0 벤치마킹을 바탕으로 동작 메커니즘을 정리하고, 3D 전자계 수치해석과 Maxwell 응력 기반 계산으로 체결력 및 자석 회전 토크를 산출했습니다. magnetic module과 contact plate 의 전자계 영향 검토를 위해, 설계변수 민감도 분석과 PSO 최적화를 통해 경량화에 유효한 변수 조합을 도출했으며, MagE1.0에 대한 중량 저감 최적 모델(Dual Magnet Module) 설계 및 SMM(SIngle Magnet Module)과 같은 신규 구조를 제안하여 locking force를 유지한 상태에서 원형자석 회전 토크를 저감하고 경량화를 확보했습니다.
LS Electric 협업 과제에서는 벡터제어를 위한 Line-Start PMa-SynRM의 기동/정상 운전 상태 특성을 수치해석 및 d-q 모델로 정식화하여 d-q 모델링 방향성을 검토하였습니다. 또한, id-iq 맵핑을 통한 전류 조합별 쇄교자속 추출을 하여 저·고정도 파라미터 맵을 구축하였습니다.
UNICK 프로젝트에서는 차량 전장 SBW 액추에이터용 AFPMM 적용 가능성을 검토하고 SRSS·DRSS 토폴로지를 비교했으며, 현재는 기어비·제작성·자석 사용량을 동시에 고려한 SRSS 중심의 형상 최적 설계를 수행하여 기존 RFM과 동등한 전자계 성능을 유지하면서 부피와 자석 사용량을 낮추는 설계안을 제시하고 있습니다. 전 과정에서 요구 전압·전류 제약과 제조 공차를 반영해 JMAG/Matlab 등으로 모델링-해석-최적화를 일관되게 수행했으며, 중간 결과는 데이터 기반 보고서와 발표 자료로 체계적으로 정리해 공유하면서 프로젝트를 수행하고 있습니다.
[기타 대외활동]
2022년 9월부터 12월까지 ㈜효성전기에서 현장실습을 수행했던 경험이 있습니다. 그 곳에서는 매일 EPS 모터 생산라인의 불량품 현황을 분석하였고, 한 모터가 생산하는데 걸리는 Cycle Time 분석을 통해 보다 효율적인 동선 개선안을 도출했으며, 전 생산 라인을 대상으로 표준 점검 준수 상태를 조사했었습니다. 조사했던 내용은 엑셀 및 프레젠테이션 자료 형태로 정리하여 보고회에서 발표를 담당했었습니다.
자격증으로는 IoT지식능력검정과 컴퓨터활용능력 1급을 보유하고 있으며, 현재 연구실에서 사용하고 있어 사용 가능한 Tool로는 JMAG, MATLAB, FEMM, Maxwell 등이 있습니다.
그 외 학부 과정에서는 Linux OS 환경에서 로봇 구동 제어를 위한 시뮬레이션 프로젝트를 수행하였고, Terminal을 통한 조작 및 C파일 코딩을 통한 PC-임베디드 보드 통신 환경 구축 및 제어 프로젝트를 수행했던 경험이 있습니다.
EPS용 8극 6슬롯 Spoke IPMSM 토폴로지의 자계변조 효과를 확인하였고, 회전자·고정자 형상 최적화를 통해 기존 8극 12슬롯 모델 대비 토크 성능과 리플을 개선했고,
SBW 액추에이터용 축방향형 PM 모터에서는 단일 고정자의 두 가지 토폴로지를 비교하여 목표 토크를 만족하면서 모터의 사이즈를 최소화하는 최적 설계 기준을 정립했습니다.
자동차 트렁크용 Magnetic Locking System은 PSO 알고리즘과 LHS 기법을 통한 확률 분포 이론을 적용시켜, 체결력이 유지된 경량화 최적 모델 도출 및 제작 공차에 대한 체결력 강건성을 확보했으며,
산업용 Line‑Start PMa‑SynRM은 회전자 돌극성(q축 노치)을 활용해 자석 제동 토크를 저감하고 Pull‑in 에너지를 높여 동기화 신뢰성을 개선했습니다.
모든 과정에서 2D/3D FEA 기반의 민감도–최적화–강건성 절차를 공통 프레임으로 적용하여 성능·제약·제조성을 동시에 고려하는 설계 방식을 확립해 왔습니다.
[프로젝트 수행경험]
현대자동차 산학과제에서는 차량 트렁크용 자기 체결력을 보존하면서 경량화를 달성하는 Magnetic Locking 모듈에 대한 연구를 진행했습니다. MagE 1.0 벤치마킹을 바탕으로 동작 메커니즘을 정리하고, 3D 전자계 수치해석과 Maxwell 응력 기반 계산으로 체결력 및 자석 회전 토크를 산출했습니다. magnetic module과 contact plate 의 전자계 영향 검토를 위해, 설계변수 민감도 분석과 PSO 최적화를 통해 경량화에 유효한 변수 조합을 도출했으며, MagE1.0에 대한 중량 저감 최적 모델(Dual Magnet Module) 설계 및 SMM(SIngle Magnet Module)과 같은 신규 구조를 제안하여 locking force를 유지한 상태에서 원형자석 회전 토크를 저감하고 경량화를 확보했습니다.
LS Electric 협업 과제에서는 벡터제어를 위한 Line-Start PMa-SynRM의 기동/정상 운전 상태 특성을 수치해석 및 d-q 모델로 정식화하여 d-q 모델링 방향성을 검토하였습니다. 또한, id-iq 맵핑을 통한 전류 조합별 쇄교자속 추출을 하여 저·고정도 파라미터 맵을 구축하였습니다.
UNICK 프로젝트에서는 차량 전장 SBW 액추에이터용 AFPMM 적용 가능성을 검토하고 SRSS·DRSS 토폴로지를 비교했으며, 현재는 기어비·제작성·자석 사용량을 동시에 고려한 SRSS 중심의 형상 최적 설계를 수행하여 기존 RFM과 동등한 전자계 성능을 유지하면서 부피와 자석 사용량을 낮추는 설계안을 제시하고 있습니다. 전 과정에서 요구 전압·전류 제약과 제조 공차를 반영해 JMAG/Matlab 등으로 모델링-해석-최적화를 일관되게 수행했으며, 중간 결과는 데이터 기반 보고서와 발표 자료로 체계적으로 정리해 공유하면서 프로젝트를 수행하고 있습니다.
[기타 대외활동]
2022년 9월부터 12월까지 ㈜효성전기에서 현장실습을 수행했던 경험이 있습니다. 그 곳에서는 매일 EPS 모터 생산라인의 불량품 현황을 분석하였고, 한 모터가 생산하는데 걸리는 Cycle Time 분석을 통해 보다 효율적인 동선 개선안을 도출했으며, 전 생산 라인을 대상으로 표준 점검 준수 상태를 조사했었습니다. 조사했던 내용은 엑셀 및 프레젠테이션 자료 형태로 정리하여 보고회에서 발표를 담당했었습니다.
자격증으로는 IoT지식능력검정과 컴퓨터활용능력 1급을 보유하고 있으며, 현재 연구실에서 사용하고 있어 사용 가능한 Tool로는 JMAG, MATLAB, FEMM, Maxwell 등이 있습니다.
그 외 학부 과정에서는 Linux OS 환경에서 로봇 구동 제어를 위한 시뮬레이션 프로젝트를 수행하였고, Terminal을 통한 조작 및 C파일 코딩을 통한 PC-임베디드 보드 통신 환경 구축 및 제어 프로젝트를 수행했던 경험이 있습니다.
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