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풍력발전용 3MW급 외부회전자형 영구자석 동기발전기 설계
Design of 3MW Class Outer Rotor Type PMSG for Wind Turbine 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.6 no.4, 2010년, pp.41 - 49  

김태훈 (POSTECH, 풍력특성화대학원)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Over the last decade, wind turbine industry has rapidly increased around world. These days many parts of the wind generators are induction generator. But it has some problems such as gearbox failure, rotor excitation and maintenance. Thus many manufacturers are considered permanent magnet synchronou...

주제어

#영구자석동기발전기   #직접구동   #외부 회전자  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 다른 영구자석 동기발전기와 비교를 통하여 설계한 발전기를 평가하고자한다. 그림 10은 참고문헌(11)에 나와 있는 정격 토크에 따른 active material mass를 비교한 그래프 위에 설계한 발전기의 active material mass를 나타낸 것이다(빨간색 #표시).
  • 본 논문에서는 발전기 설계 절차를 제시하고 그 절차에 따라 설계한 발전기의 전기자기적 해석과 열분석을 수행한다. 또한 설계한 발전기와 다른 발전기와의 비교를 통한 평가를 하고자한다.
  • 해상풍력발전에서 3MW급 발전기가 경쟁력이 있다고 판단하였으며, 발전기 유지보수와 신뢰도 측면에서 기어형보다 우수한 직접 구동형 발전기를 선택 하였다. 본 논문에서는 발전기 설계 절차를 제시하고 그 절차에 따라 설계한 발전기의 전기자기적 해석과 열분석을 수행한다. 또한 설계한 발전기와 다른 발전기와의 비교를 통한 평가를 하고자한다.
  • 따라서 적정한 전류 밀도의 선정이 중요하다. 본 논문에서는 해상 풍력 발전용을 고려하고 있으므로 염분과 습윤으로 인한 부식 방지를 위해 IP54 이상의 완전 밀폐형 발전기를 고려하고 있다. 또한 강제 수랭식 냉각을 고려하고 있다.
  • 본 연구는 직접 구동형 풍력발전기를 위한 3MW급 외부 회전자형 영구자석 동기발전기를 설계하였다. FEM 프로그램인 ANSYS를 이용하여 전기자기장 해석과 열분석을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 풍력발전용 3MW급 영구자석 동기발전기를 설계한다. 해상풍력발전에서 3MW급 발전기가 경쟁력이 있다고 판단하였으며, 발전기 유지보수와 신뢰도 측면에서 기어형보다 우수한 직접 구동형 발전기를 선택 하였다.

가설 설정

  • 1. 고정자 내경은 열 접촉이 완벽하다.
  • 3. 도체 이외의 절연물과 wedge는 부도체의 열전도율을갖는다.
  • 4. 외기 온도는 40℃를 기준으로 한다.
  • 5. 냉각수 수량은 350 liter/min이다.
  • 또한 강제 수랭식 냉각을 고려하고 있다. 따라서 발전기 수명과 안정성 향상을 위해 전류밀도를 3.0 A/mm2로 정하였다.
  • 발전기 형식은 외부 회전자 방식의 영구자석 동기발전기로선정하였다. 또한 발전기 용량은 3MW로 정하였다. 이는 앞으로 해상 풍력에서 경쟁력이 있을 것이라 판단되어서다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공극을 결정함에 있어 어떤 조건들을 고려해야 하는가? 1%에서 소형의 경우 1%까지에 이른다. 공극을 결정함에 있어서 운전시의 회전자, 고정자 사이의 온도차에 의한 열팽창의 차이, 베어링의 유격, 고정자의 기계적 가공/조립 오차 등이 고려되어야 한다(4). 본 연구에서는 공극을 7mm로 정하였다.
극수가 많아지면 발전기 무게게 줄어드는 이유는 무엇인가? 극수 : 일반적으로 극수가 많아지면 발전기 무게가 줄어드는 것으로 알려져 있다(5). 그 이유는 극수가 많아지게 되면 회전자나 고정자가 감당하여야 할 자속 밀도가 낮아지고 그에 따라서 회전자나 고정자의 무게를 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한 자속의 형상이 정현파 모양에 가까워져 고조파 성분이 작아지고 철손이 작아지는 장점이 있다.
NdFeB 자석의 장점은 무엇인가? 자석 : 자석은 NdFeB(Neodymium Iron Boron) 자석을 사용하였다. NdFeB는 다른 희토류 자석보다 높은 잔류자속밀도와 보자력 특성을 가지는 장점이 있다. 반면 온도 조건에 취약하다는 단점이 있기 때문에 감자특성곡선을 통해 자석의 특성을 판단하여야 한다.
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참고문헌 (11)

  1. Henk Polinder, 2005, Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines, IEEE. 

  2. J.Pyrhonen, Permanent Magnet 3MW Low-Speed Generator Development. 

  3. T.J.E. MILLER, 1989, Brushless Permanent -Magnet and Reluctance Motor Dirves, CLARENDON PRESS. OXFORD 

  4. 김동언, 2007, 3MW 영구자석형 동기발전기의 공학설계, 한국풍력에너지학회 추계 학술대회. 

  5. F.Libert, 2004, Design Study of Different Direct-Driven Permanent-Magnet Motors for a Low Speed Application, ntnu.no 

  6. N40SH, ARNOLD MAGNETIC TECHNOLOGIES. 

  7. Sahin Funda, 2001, Design and development of a high-speed axial-flux permanent magnet machine, Technical University of Eindhoven. 

  8. E. Muljadi, 2002, COGGING TORQUE REDUCTION IN A PERMANENT MAGNET WIND TURBINE GENERATOR, National Wind Technology Center, NREL. 

  9. 고홍석, 2000, 영구자석을 사용한 모터의 코깅토크에 관한 이론적 해석, 대한기계 학회 논문집 A권, 제24권 제7호, pp. 1795-1800. 

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  10. 장명석, 2006, 고속으로 운전되는 영구자석형 동기전동기의 철손 및 풍손 해석, 전기학회논문집 55B권 10호. 

  11. Deok-je Bang, 2010. Design of Transverse Flux Permanent Magnet Machines for Large Direct-Drive Wind Turbines, PhD thesis TU Delft. 

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