[논문]코깅력이 저감된 3상 9극 10슬롯 구조의 영구자석 선형 전동기

연승환; 이종진; 고창섭

코깅력이 저감된 3상 9극 10슬롯 구조의 영구자석 선형 전동기
A Low Cogging Force Permanent Magnet Linear Motor Having 3 Phase 9 Pole 10 Slot Structure 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.55 no.11, 2006년, pp.547 - 554

연승환 (충북대 전기공학과) , 이종진 (Samsung DA연구소) , 고창섭 (충북대 전기전자컴퓨터 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The detent force of a permanent magnet linear motor(PMLM) consists of the end force and cogging force, and should be reduced for high precision purpose applications. The cogging force comes from the electromagnetic interaction between the permanent magnets and interior teeth(or the slots) of the stator, and of which the magnitude depends on the ratio of the numbers of the armature and permanent magnet poles as well as the geometrical shape of the permanent magnet and armature pole. In order to reduce the cogging force of a PMLM, this paper proposes a new configuration which has 9 permanent magnet poles and 10 armature winding slots. By theoretical investigation of the principle of cogging force generation and simulating using finite element method, the proposed PMLM configuration is proven to give much less cogging force than the conventional configuration which has 8 permanent magnet poles and 12 armature winding slots. A proper winding algorithm, modified (A, A, A) winding method, for the proposed configuration is also suggested when the proposed PMLM is operating as a 3 phase synchronous machine. A theoretical and numerical calculation shows that the proposed configuration makes slightly bigger back-emf and thrust force under same exciting current and total number of winding turns condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PMLM의 코깅력을 줄이기 위하여 영구자석의 극수와 전기자 슬롯 수의 비가 9:10인 새로운 구조의 단 1차형 구조를 제안하고 여기에 적합한 새로운 권선 법을 제시하였다. 제안된 구조에 대하여 이론적 고찰과 유한요소법을 이용하여 코깅력과 추력을 계산함으로써 본 논문에서 제안한 새로운 구조의 PMLM이 기존의 영구자석 극수와 전기자 슬롯 수의 비가 2:3인 전동기에 비하여 코깅력이 획기적으로 감소함은 물론 동일 여자전류 및 여자권선 수의 조건에서 추력도 다소 증가함을 보였다.
본 논문에서는 코깅력이 획기적으로 저감된 영구자석의 극 수와 전기자 슬롯 수의 비가 9:10인 새로운 구조의 PMLM을 제안하였다. 제안된 9극 10슬롯 구조의 PMLMe기존에 널리 이용되는 8극 12슬롯 구조의 전동기와는 달리전기자 치가 3상 권선을 위한 이상적인 위치에 존재하지 않기 때문에 변형된 (A, A, A) 권선법을 이용할 것을 제안하였다.

가설 설정

전기자 권선의 쇄교자속을 계산하기 위하여 영구자석에서 발생하는 자속밀도의 분포를 그림 11과 같이 #, 전기자 권선의 전체 권선 수를 N[turn]이라 가정한다.8극 12슬롯 구조의 PMLM에서 하나의 전기자 치에 설치된 전기자 권선의 이상적인 최대 쇄교자속은 그림 11 (a)로부터 다음과 같이 계산되고,

제안 방법

또한 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 코깅력과 디텐트력이 배제된 상태에서 3상 동기기로 구동되는 경우 전기자 전류에 의하여 발생하는 추력을 계산하고 비교하였다. 전기자 전류는 8극 12슬롯 모델과 9극 10슬롯 모델 공히 각상에 최대치가 960[A .
본 논문에서 제안한 9극 10슬롯 구조의 PMLM에서는 전 기각으로 표시한 전기자 치의 위치가 8극 12슬롯 구조는 물론 8극 9슬롯 구조와도 다르기 때문에 종래의 (A, B, C) 권선 법이나 (A, A, A) 권선법을 적용할 수 없게 된다. 본 논문에서는 변형된 (A, A, A) 권선법을 제사하며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
위해서는 단부력이 배제된 순수한 코깅력만을 계산할 수 있는 모델이 필요하다[17]. 본 논문에서는 단부력이 배제된 코깅력만을 계산하기 위하여 그림 8과 같이 전기자 양 끝에 위치한 치의 폭을 확장하고 Periodic 경계조건을 부여하였다.
(A, A, A) 권선법을 적용할 수 없게 된다. 본 논문에서는 변형된 (A, A, A) 권선법을 제사하며, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 예를 들면, 그림.
유한요소법을 이용하여 현재 널리 이용되고 있는 3상구동 8극 12슬롯 구조의 단 1차형 PMLM과 본 논문에서 제안된 3상구동 9극 10슬롯 구조의 단 1차형 PMLM의 코깅력을 계산하고 비교하였다.
제안하였다. 제안된 9극 10슬롯 구조의 PMLMe기존에 널리 이용되는 8극 12슬롯 구조의 전동기와는 달리전기자 치가 3상 권선을 위한 이상적인 위치에 존재하지 않기 때문에 변형된 (A, A, A) 권선법을 이용할 것을 제안하였다. 코깅력의 발생에 대한 이론적 고찰과 유한요소법을 이용한 수치모사 결과, 본 논문에서 제안된 9:10 구조의 PMLMe 기존의 8:12 구조의 전동기에 비하여 코깅력이 약 90% 이상 감소하고, 동일 전동기 크기 및 동일 기자력 조건에서 추력은 약 23% 증가함을 확인하였다.
종래의 8극 12슬롯 구조의 전동기 에서 발생하는 코깅력 과 정 량적으로 비교하기 위하여 선형 전동기의 전체 길이가 그림 3 의 8극 12슬롯 전동기와 일치하도록 영구자석의 폭과 아마추어의 슬롯 및 치의 폭을 선정하였다. 그림 5와 같이 9극 10슬롯 PMLM의 전기자는 10개의 슬롯과 11개의 치로 구성되며, 전기자 슬롯 피치(E)와 영구자석의 극 피치(τ_p)는 다음의 관계식을 만족하는 것으로,

대상 데이터

9극 10슬롯 구조의 PMLM에서 발생하는 코깅력을 규명하기 위하여 그림 5에 나타난 모델을 대상으로 하였다. 종래의 8극 12슬롯 구조의 전동기 에서 발생하는 코깅력 과 정 량적으로 비교하기 위하여 선형 전동기의 전체 길이가 그림 3 의 8극 12슬롯 전동기와 일치하도록 영구자석의 폭과 아마추어의 슬롯 및 치의 폭을 선정하였다.

성능/효과

turn]인 정현파 전류가 흐르는 것으로 하였으며, 그림 3 (b) 및 그림 10과 같이 코깅력과 디텐트력이 동시에 영이 되는 영구자석과 전기자의 상대 위치에서 계산하였다. 그림 13은 전기자 전류의 위상 변화에 따라 계산된 추력을 비교한 것으로, 본 논문에서 제안한 9극 10 슬롯 모델의 최대 추력은 195[N]으로 종래의 8극 12슬롯 모델의 최대 추력 155.81N]에 비하여 대략 23%정도 증가하였음을 알 수 있다.
그림에서 보듯이 본 논문에서 제안된 9극 10슬롯 구조의 PMLMe 기본 모델인 8극 12슬롯 구조에 비하여 코깅력 의 크기가 대략 7%정도로 줄어들고 극피치의 감소로 인하여 그 주기가 17.34[mm]가.됨을 알 수 있다.
47% 수준으로 통상의 방법으로 구동이 가능한 수준임을 알 수 있다. 이것은 동일한 전류를 인가하는 경우 본 논문에서 제안된 모델은 기존의 모델에 비하여 대략 10%정도의 추력이 향상됨을 의미한다.
이상의 분석을 바탕으로 참고문헌 [13]에서 제안한 8극 9 슬롯 구조의 PMLM에서 발생하는 코깅력을 분석하면, 전체 10개의 슬롯 중, 1번부터 9번까지의 슬롯에서 발생하는 코깅력은 앞에서 설명한 이론에 의하여 서로 상쇄됨을 알 수 있다. 그러나 집중권을 설치하기 위하여 추가로 설치된 하나 의치(또는 슬롯)에서 발생되는 코깅력은 상쇄되지 않기 때문에 전체적으로 코깅력은 커지게 된다.
제안된 구조에 대하여 이론적 고찰과 유한요소법을 이용하여 코깅력과 추력을 계산함으로써 본 논문에서 제안한 새로운 구조의 PMLM이 기존의 영구자석 극수와 전기자 슬롯 수의 비가 2:3인 전동기에 비하여 코깅력이 획기적으로 감소함은 물론 동일 여자전류 및 여자권선 수의 조건에서 추력도 다소 증가함을 보였다.
제안된 9극 10슬롯 구조의 PMLMe기존에 널리 이용되는 8극 12슬롯 구조의 전동기와는 달리전기자 치가 3상 권선을 위한 이상적인 위치에 존재하지 않기 때문에 변형된 (A, A, A) 권선법을 이용할 것을 제안하였다. 코깅력의 발생에 대한 이론적 고찰과 유한요소법을 이용한 수치모사 결과, 본 논문에서 제안된 9:10 구조의 PMLMe 기존의 8:12 구조의 전동기에 비하여 코깅력이 약 90% 이상 감소하고, 동일 전동기 크기 및 동일 기자력 조건에서 추력은 약 23% 증가함을 확인하였다. 한편, 제안된 구조의 전동기에서 상간에 발생하는 유기기전력의 불평 형은 그 최대치가 대략 0.
코깅력의 발생에 대한 이론적 고찰과 유한요소법을 이용한 수치모사 결과, 본 논문에서 제안된 9:10 구조의 PMLMe 기존의 8:12 구조의 전동기에 비하여 코깅력이 약 90% 이상 감소하고, 동일 전동기 크기 및 동일 기자력 조건에서 추력은 약 23% 증가함을 확인하였다. 한편, 제안된 구조의 전동기에서 상간에 발생하는 유기기전력의 불평 형은 그 최대치가 대략 0.47% 수준으로 통상의 제어기에서 감당할 수 있는 것임을 확인하였다. 또한 본 논문에서 다룬 단 1 차형 영구자석 선형 동기기는 코깅력 뿐만 아니라 단 부력 또한 매우 크게 나타나기 때문에 추후 단부력을 저감하기 위한 연구가 진행될 것이다.

후속연구

47% 수준으로 통상의 제어기에서 감당할 수 있는 것임을 확인하였다. 또한 본 논문에서 다룬 단 1 차형 영구자석 선형 동기기는 코깅력 뿐만 아니라 단 부력 또한 매우 크게 나타나기 때문에 추후 단부력을 저감하기 위한 연구가 진행될 것이다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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