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최근 희토류 영구자석 전동기에 사용되는 희토류 자원의 수급 문제 및 가격 변동에 따라, 희토류 저감형 영구자석 전동기를 제작하는 방법이 많은 관심을 받고 있다. 영구자석을 사용하지 않고 회전자에 권선을 감아 전류를 인가하여 구동되는 계자 권선형 회전자 ...

최근 희토류 영구자석 전동기에 사용되는 희토류 자원의 수급 문제 및 가격 변동에 따라, 희토류 저감형 영구자석 전동기를 제작하는 방법이 많은 관심을 받고 있다. 영구자석을 사용하지 않고 회전자에 권선을 감아 전류를 인가하여 구동되는 계자 권선형 회전자 동기 전동기 (Wound Rotor Synchronous Motor; 이하 WRSM), 자석의 한 극을 철심으로 대체하여 제작하는 Consequent Pole type IPMSM에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. WRSM은 IPMSM과 준한 성능을 출력하기 위해서는 회전자 또는 고정자의 형상이 변경되거나 전동기 크기가 비대해지는 단점이 존재하지만, CP type IPMSM 전동기는 전동기의 크기를 키우지 않으면서 자석량을 저감하고 기본 IPMSM과 준한 성능을 출력할 수 있어 학계와 산업계에서 많은 관심을 보이고 있다.
본 논문에서는 현업에서 사용되고 있는 에어컨 공기압축기용 전동기의 내,외경 규격을 동일 크기로 제한하면서 사용되는 고정자 형상 수정 없이 회전자 내부에 삽입되는 영구자석의 양을 줄일 수 있는 Consequent pole type IPMSM을 설계하고 제안하였다.
다중목적 유전 알고리즘과 Pareto Front 기법을 활용하여 설계를 진행하고 최종모델의 전자기적 특성을 해석을 진행하였다. CP type IPMSM의 형상 특성 상 철심의 면적이 늘어남으로 필수 불가결적 단점으로 거론되는 코깅 토크 및 토크 리플을 4-스텝 스큐로 보완하고 폰 미세스 응력 해석으로 기계적 강성을 평가하였다.
최종적으로 비교 대상인 전동기와 준한 성능(1.48[Nm] -> 1.45[Nm])을 출력하면서 토크 리플은 (42.5% -> 8%)로 감소하였으며 자석 저감은 고정자 형상 변경 없이 20.98%를 저감하여 사용되던 전동기에서 성능 변화 없이 회전자만 교체하여 사용할 수 있는 회전자 형상을 도출하였다. 제안 형상의 동작 및 성능은 다중물리해석 툴인 JMAG-Designer 22.1.2 환경에서 검증되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, in response to supply and demand issues and price fluctuations of rare earth resources used in rare earth permanent magnet motors, methods for manufacturing rare earth reduced permanent magnet motors are receiving much attention. A field-wound rotor synchronous motor (WRSM) that is driven ...

Recently, in response to supply and demand issues and price fluctuations of rare earth resources used in rare earth permanent magnet motors, methods for manufacturing rare earth reduced permanent magnet motors are receiving much attention. A field-wound rotor synchronous motor (WRSM) that is driven by winding a winding around the rotor and applying current without using a permanent magnet; a Consequent Pole type IPMSM manufactured by replacing one pole of the magnet with an iron core. Research is actively underway. In order to output performance similar to IPMSM, WRSM has the disadvantage of changing the shape of the rotor or stator or enlarging the size of the motor.
However, CP type IPMSM motor reduces the amount of magnets without increasing the size of the motor and provides performance similar to basic IPMSM. Since performance can be output, there is a lot of interest in academia.
In this paper, we design a Consequent pole type IPMSM that can reduce the amount of permanent magnets inserted inside the rotor without modifying the shape of the stator used while limiting the inner and outer diameter specifications of electric motors for air conditioner air compressors used in the field to the same size. suggested.
The design was carried out using a multi-objective genetic algorithm and the Pareto front technique, and the electromagnetic characteristics of the final model were analyzed. Due to the shape characteristics of CP type IPMSM, the area of the iron core increases, so cogging torque and torque ripple, which are considered essential disadvantages, were supplemented with 4-step skew, and mechanical rigidity was evaluated through von Mises stress analysis.
Finally, while outputting performance similar to that of the motor being compared (1.48[Nm] -> 1.45[Nm]), torque ripple was reduced to (42.5% -> 8%), and magnet reduction was used by reducing 20.98% without changing the stator shape. A rotor shape that can be used by replacing only the rotor in an existing electric motor without changing performance was derived.
The operation and performance of the proposed shape were verified in the simulation tool JMAG-Designer 22.1.2 environment.

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