[논문]프린징 자속을 고려한 베어링리스 SRM 회전자극 설계 및 특성분석

이찬교; 오주환; 신광철; 권병일

doi:10.5370/kiee.2010.59.1.057

문제 정의

본 논문에서는 고정자극과 회전자극이 서로 겹쳐지기 시작하는 위치에서 부상력리플과 토오크리플을 개선시키기 위하여 회전자극 구조를 제안하였다. 제안된 회전자극 구조를 갖는 BLSRMe 일반 회전자극 구조를 갖는 BL SRM 보다 고 정자 극과 회전자극이 서로 겹치는 위치에서 부상력을 빠르게 보상시킬 수 있고, 부상력 제어영역 구간이 넓어진다.
본 논문에서는 고정자극과 회전자극이 서로 정렬되기 시작하는 위치에서 발생되는 프린징자속(fringing flux)을 부상력으로 이용하기 위해 회전자극에 shoe구조를 갖는 회전 자극을 제안하였다. 제안한 BLSRM의 경우 극호각에 대한 휴지 기간을 발생시키지 않기 때문에 극수 증가, 평균 토오크를증가시키고, 부상력을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

가설 설정

1) 회전자의 변위가 x=0, y=0이라고 가정한다.
2) 회전자의 정지 시와 구동시, 회전자극 위치를 알고 있다고 가정한다.
본 논문에서는 그림 5와 같이 회전자가 한쪽 방향으로만 회전한다고 가정하여 회전자극에 한쪽 방향으로만 shoe 형상을 설치하였다. 그림 5(b)에서 shoe부분은 기본회전자극 형상에서 1.

제안 방법

공극에서 쇄교하는 자속의 양을 비교하기 위하여 기본구조 회전자극 형상과 제안한 shoe구조의 회전자극 형상을 비교하였다. -5~0[이에 위치할 때 0.5[°] 간격으로 회전자극과 고정자극의 표면자속량을 해석하여 산출하였다. 고정자와 회전자의 공극측의 표면자속밀도를 해석한 3 #의 결과로 부터 쇄교자속량을 구할 수 있다.
3) 토오크를 발생시키는 주권선의 인덕턴스, 그리고 부상을 담당하는 부상력 권선의 인덕턴스 프로파일은 각각 전류에 따른 X-Y축 4상한 구간으로 사전에 얻어, 동특성 해석시 Look-up 테이블을 이용하여 상호인덕턴스와 자기 인덕턴스를 계산하였다.
고정자극과 회전자극이 서로 정렬되기 시작하는 위치에서 일정한 공극을 유지하고 토오크리플을 줄이기 위해서 그림 5와 같이 새로운 회전자극을 제안하였다.
shoe형상을 고려하여 주었을 때인덕턴스 프로파일의 형상이 바뀌기 때문에 부상력 발생 구간이 기본구조 회전자극 형상보다 좀 더 넓어지는 것을 확인 할 수 있다. 공극에서 쇄교하는 자속의 양을 비교하기 위하여 기본구조 회전자극 형상과 제안한 shoe구조의 회전자극 형상을 비교하였다. -5~0[이에 위치할 때 0.
기본으로 설계된 BLSRM의 부상력리플과 토오크리플을고려하여 자기형상의 구조계를 재설계 한다. 재설계의 주목은 그림 2에서와 같이 프린징자속을 유효자속성분으로 이끌어 내기위한 것이다.
5[mm] 고려한 회전자극 형상으로 부상력 프로파일을 비교한 것이다. 부상력 권선에 7[A]를 인가 시켜 정특성 해석을 하였다. shoe형상을 고려하여 주었을 때인덕턴스 프로파일의 형상이 바뀌기 때문에 부상력 발생 구간이 기본구조 회전자극 형상보다 좀 더 넓어지는 것을 확인 할 수 있다.
상용 프로그램을 통해서 회전자 편심에 따른 위치제어와 속도제어를 구현하기가 어렵기 때문에 이를 해결하기 위한 방법으로 가정 3)에서 언급한바 각각의 인턱턴스 프로파일를 FEN[으로 사전에 구하고 전기상태방정식과 기계적 상태방정식을 이용하여 그 전류와 토오크 특성만을 비교 검토하였다.
재설계의 주목은 그림 2에서와 같이 프린징자속을 유효자속성분으로 이끌어 내기위한 것이다. 재설계 전에 본 논문에서 BLSRM의 설계 목표를 정격속도 10, 000[rpm], 정격전압 310[Vdc], 출력은 500[W]급으로 하였으며, 제약조건은 고정자외경 127[mm], 극수는 12/8로 한다. 그림 4와 표 1은 BLSRM의 기본형상과 기계적, 전기적 주요사양을 나타낸 것이다.
스위칭 주파수는 10[kHz]이며, 샘플링 타임은 50[usec]로 실험하였다. 토오크 발생 회전력 권선에 6.5[A] 전류를 일정하게 흘려주고 회전자 위치를 변화시켜가며 인덕턴스와 토오크 특성 결과를 얻었다. 실험 결과 기본회전자극 형상보다 제안된 shoe회전자극의 인덕턴스 상승은 더 빠르게 이루어짐을 알 수 있었다.
회전력 권선에 전류 6.5[A]를 인가한 후, 회전자 위치에 따른 토오크특성을 해석한 것이다.

데이터처리

제안한 회전자극을 갖는 BLSRM과 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM을 정적인 유한요소해석과 정적인 시험분석결과로 그 효용성을 검증할 수 있었다. 그리고 동적특성을 시뮬레이션으로 비교분석하기위해서 사전에 FEM을 통해 인덕턴스 프로파일을 얻었고 비교분석하였다. 결과적으로 토오크리플을 줄이기 위해 shoe를 고려한 회전자극을 재설계하였고, 새롭게 제안한회전자극 형상은 기본구조 회전자극 형상보다 회전력인 토오크는 5.
또한 평균 토오크도 상승시킬 수 있다. 제안된 새로운 회전자극 구조를 갖는 BLSRM의 특성을 분석하기 위하여 유한요소법 및 실험을 통하였다.

성능/효과

그리고 동적특성을 시뮬레이션으로 비교분석하기위해서 사전에 FEM을 통해 인덕턴스 프로파일을 얻었고 비교분석하였다. 결과적으로 토오크리플을 줄이기 위해 shoe를 고려한 회전자극을 재설계하였고, 새롭게 제안한회전자극 형상은 기본구조 회전자극 형상보다 회전력인 토오크는 5.77[%]증가할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 비교적 간단히 예측할 수 있었다. 그리고 프린징자속(Fringing flux)은 아를 고려해준 회전자극이 약 33[%]감소하였음을유한요소 해석결과로 살펴볼 수 있었다.
실험 결과 기본회전자극 형상보다 제안된 shoe회전자극의 인덕턴스 상승은 더 빠르게 이루어짐을 알 수 있었다. 그러므로 고정자극과 회전자극이 서로 정렬되기 시작하는 overlap 위치에서 부상력을 효과적으로 이용할 수 있음을 나타낸다. Overlap 위치에서 부상력은 부상력권선으로만 효과적으로 빠르게 상승시키고 그 후 토오크 발생 회전력권선으로 전류를 인가하여 토오크 제어를 시행 할 수 있음을 나타낸다.
77[%]증가할 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 비교적 간단히 예측할 수 있었다. 그리고 프린징자속(Fringing flux)은 아를 고려해준 회전자극이 약 33[%]감소하였음을유한요소 해석결과로 살펴볼 수 있었다. 향후 제작된 BLSRM의 동적특성을 실험으로 비교분석하고자 한다.
그림 10과 같이 제안한 shoe구조의 회전자극은 기본구조회 전자극 형상보다 프린징자속(fringing flux)이 감소됨을 확인할 수 있었다. 프린징자속 비율의 차이가 가장적은 부분은 회전자 위치가 -5[이이며, 기본구조 회전자극 형상은 누설률이 77.
39[%]이고 shoe구조의 회전자극을 고려하였을 때 누설률은 5L9H%]이다. 두 형상의 누설률은 회전자극과 고정자극이 서로 정렬되기 시작하는 위치 0[이일 때 일반구조를 갖는 회전자극형상의 누설률이 6아;%]이고 shoe구조의 회전자극울 고려한 형상이 29.54[%]로, 프리징효과 또한 그 차이가 가장 크게 나타났다. 이것은 shoe 길이와 많은 관계를 갖고 있으며, shoe 길이로 인한 누설성분을 주성분으로 일으키는 큰 장점을 갖는다.
제안한 BLSRM의 경우 극호각에 대한 휴지 기간을 발생시키지 않기 때문에 극수 증가, 평균 토오크를증가시키고, 부상력을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM보다 토오크리플을 제어할 수 있는 영역과 부상력리플을 제어할 수 있는 영역을 넓힐 수 있었다. 제안한 회전자극을 갖는 BLSRM과 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM을 정적인 유한요소해석과 정적인 시험분석결과로 그 효용성을 검증할 수 있었다.
5[A] 전류를 일정하게 흘려주고 회전자 위치를 변화시켜가며 인덕턴스와 토오크 특성 결과를 얻었다. 실험 결과 기본회전자극 형상보다 제안된 shoe회전자극의 인덕턴스 상승은 더 빠르게 이루어짐을 알 수 있었다. 그러므로 고정자극과 회전자극이 서로 정렬되기 시작하는 overlap 위치에서 부상력을 효과적으로 이용할 수 있음을 나타낸다.
회전자극 구조를 제안하였다. 제안된 회전자극 구조를 갖는 BLSRMe 일반 회전자극 구조를 갖는 BL SRM 보다 고 정자 극과 회전자극이 서로 겹치는 위치에서 부상력을 빠르게 보상시킬 수 있고, 부상력 제어영역 구간이 넓어진다. 또한 평균 토오크도 상승시킬 수 있다.
제안하였다. 제안한 BLSRM의 경우 극호각에 대한 휴지 기간을 발생시키지 않기 때문에 극수 증가, 평균 토오크를증가시키고, 부상력을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM보다 토오크리플을 제어할 수 있는 영역과 부상력리플을 제어할 수 있는 영역을 넓힐 수 있었다.
제안한 shoe 회전자극 형상이 토오크를 발생시키는 주권 선에 전류리플을 더욱 작게 할 수 있음을 보여준다. 회전자와 고정자가 일치되기 전 구간에서 기본구조를 갖는 회전자극은 프린징자속 발생으로 인해 유효자속성분을 얻기 어려웠다.
또한, 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM보다 토오크리플을 제어할 수 있는 영역과 부상력리플을 제어할 수 있는 영역을 넓힐 수 있었다. 제안한 회전자극을 갖는 BLSRM과 기본구조 회전자극 형상을 갖는 BLSRM을 정적인 유한요소해석과 정적인 시험분석결과로 그 효용성을 검증할 수 있었다. 그리고 동적특성을 시뮬레이션으로 비교분석하기위해서 사전에 FEM을 통해 인덕턴스 프로파일을 얻었고 비교분석하였다.
회전자와 고정자가 일치되기 전 구간에서 기본구조를 갖는 회전자극은 프린징자속 발생으로 인해 유효자속성분을 얻기 어려웠다. 하지만, 제안한 회전자극은 토오크 발생구간을 shoe 길이만큼 앞서 발생할 수 있었고, 스위칭 On/Off각 또한 길어지면서 토오크와 부상력을 제어할 수 있는 제어영역이 보다 넓어짐을 알 수 있었다.

후속연구

그리고 프린징자속(Fringing flux)은 아를 고려해준 회전자극이 약 33[%]감소하였음을유한요소 해석결과로 살펴볼 수 있었다. 향후 제작된 BLSRM의 동적특성을 실험으로 비교분석하고자 한다.

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