Optimal Design of Non-rare Earth Permanent Magnet Synchronous Motor for Personal Mobility

Abstract

This paper presents the optimal design of a 15 kW permanent magnet synchronous motor for personal mobility using non-rare earth permanent magnets (PMs) as an alternative to neodymium PMs. The characteristics of neodymium permanent magnet motors are compared with those when replaced with ferrite permanent magnets, and methods for improvement are suggested. The electromagnetic performance according to the rotor outer diameter, the shape of the PM, and the number of layers of the PM are compared, and the initial design is carried out considering the irreversible reduction characteristics and mechanical stability. Considering that it is for personal mobility, the efficiency of the main operating points for urban driving is considered, and two-step optimization is performed to reduce the number of experimental points. Based on the optimal design results of this paper, the suitability of synchronous motors using rare earth permanent magnets for personal mobility is suggested.

본 논문은 네오디뮴 영구자석의 대안으로 탈희토류 영구 자석인 페라이트 영구자석을 이용하여 퍼스널 모빌리티용 15 kW급영구자석 동기전동기의 최적 설계를 제시한다. 기존 네오디뮴 영구자석 모터의 특성과 페라이트 영구자석으로 대체했을 때의 특성을 비교, 개선 방법을 제시한다. 회전자 외경, 영구자석의 형상 및 레이어 수에 따른 전자기 성능을 비교하고, 불가역 감자 특성과 기계적 안전성을 고려하여 초기 설계가 수행된다. 퍼스널 모빌리티용임을 감안하여 도심 주행용 주 운전점의 효율을 고려하고, 실험점 개수를 줄이기 위한 2-단계 최적화를 진행한다. 본 논문의 최적 설계 결과와 기존 모델의 결과 비교를 통해 탈희토류 영구자석을 이용한 동기모터의 퍼스널 모빌리티용 적합 가능성을 시사한다.