Topology and Parametric Two-Stage Optimization Design Process of Rotor Notches to Minimize Cogging Torque

Abstract

The increasing adoption of electric vehicles and sustainable mobility technologies has intensified the demand for high-speed, high-voltage permanent magnet synchronous machines. At elevated operating speeds, torque ripple is a critical performance concern because it induces vibration and noise, and cogging torque is one of its principal contributors. Conventional cogging torque mitigation techniques, such as skewing, magnet shaping, and slot-opening modification, often introduce trade-offs in manufacturability or torque capability. This paper proposes a two-stage rotor notch optimization approach to reduce cogging torque with minimal performance compromise. In the first stage, topology optimization identifies an effective notch shape within predefined regions, which is subsequently parameterized and refined through parametric shape optimization. The proposed method is validated through comparison with conventional parametric optimization and a baseline design, demonstrating superior cogging torque reduction while satisfying rated torque capability and mechanical stress limits.

전기차 및 전동화 기술의 확산으로 고속 및 고전압 영구자석 동기 전동기에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다.고속 운전 조건에서는 진동 및 소음을 유발하는 토크 리플이 주요한 성능 문제로 작용하며, 이 중 코깅 토크는 대표적인원인 중 하나이다. 스큐, 자석 형상 변경, 슬롯 개구부 수정과 같은 기존의 코깅 토크 저감 기법들은 제조성 저하 또는토크 성능 감소를 수반해야 한다. 본 논문에서는 토크 성능 저하를 최소화하면서 코깅 토크를 줄이기 위한 2단계 회전자노치 최적화 기법을 제안한다. 첫 단계에서는 위상 최적화를 통해 사전에 정의된 영역 내에서 효과적인 노치 형상을 도출하고, 다음 단계에서는 파라매트릭 최적화를 수행한다. 제안된 방법은 기준 모델 및 기존 파라메트릭 최적화 기법과의비교를 통해 검증되었으며, 정격 토크 성능과 기계 강성 제약 조건을 만족하면서도 우수한 코깅 토크 저감 효과를 달성함을 확인하였다.