[논문]종축 자속형 영구자석 동기 발전기의 전자기적 구조 변경에 따른 출력특성 비교

정태욱; 배병덕; 김회천

doi:10.5207/jieie.2011.25.6.042

종축 자속형 영구자석 동기 발전기의 전자기적 구조 변경에 따른 출력특성 비교
The Comparison of Output Characteristic by the Electro-magnetic Structure Modification of the Axial Flux Type Permanent Magnet Synchronous Generator 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.25 no.6, 2011년, pp.42 - 48

정태욱 (경남대학교 공대 전기공학과) , 배병덕 (경남대학교 대학원 전기공학과) , 김회천 (경남대학교 대학원 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the structure without the stator core Axial Field Permanent Magnet (AFPM) generator was simple and there was nearly no cogging toque. And because it had the wide driving rate area, it had been being mainly used in the small wind power generation system. However, AFPM generator with non-slotted stator can't generate high voltage at low wind speed due to long air-gap. It is the reason of output efficiency drop. Therefore, in this paper, the AFPM synchronous generator with internal rotor and dual slotted stators for the small wind turbine is studied, and deal with a cogging torque minimization through the determination of optimum pole-arc ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

소형 풍력 발전기의 동일한 출력에서 출력전압의 상승은 전류를 감소시키고, 이로 인한 동손을 감소시킴으로써 소형 풍력 발전기의 효율을 상승시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 소형 풍력 발전 시스템의 출력 효율 향상을 위하여 소형 풍력 발전용 AFPM 발전기의 출력전압 향상에 관해서 연구하였고, 출력전압을 높이기 위해서 철심 슬롯이 있는 내륜형 AFPM 발전기를 제안하였으며, 코깅토크 최소화를 위한 극호비 최적화에 관한 연구를 실시하였다. 그리고 3차원 유한 요소 해석 프로그램을 이용하여 유한 요소 해석법 (Finte Element Analysis)으로 제안된 AFIR-S(Axial Field Internal Rotor-Slotted) 발전기의 설계 및 해석을 하였다.
본 논문에서는 기존에 소형 풍력 발전 터빈에서 사용되어진 코어리스 AFPM 발전기의 출력전압 향상을 위하여 철심슬롯이 있는 내륜형 AFPM 발전기를 설계 및 제안하였으며, AFPM 발전기의 기본이론 및 출력특성에 대한 이론적 고찰과 비교를 하였고, 특성방정식과 설계식을 유도하였다.

제안 방법

기존의 Coreless AFPM 발전기는 고에너지 밀도의 Nd-Fe-B 영구자석이 디스크 표면에 부착된 두 개의 회전자 사이에 에폭시(epoxy)로 몰딩된 고정자가 위치한 형태의 구조를 보이며, 제안된 AFIR-S 발전기는 고정자 슬롯이 있는 두 개의 고정자 사이에 영구자석을 에폭시로 몰딩한 회전자가 위치한 형태의 구조이다. Coreless AFPM 발전기의 고정자와 AFIR-S 발전기의 회전자는 기계적 강도를 유지하기 위하여 에폭시수지로 몰딩처리하였다.
따라서 본 논문에서는 소형 풍력 발전 시스템의 출력 효율 향상을 위하여 소형 풍력 발전용 AFPM 발전기의 출력전압 향상에 관해서 연구하였고, 출력전압을 높이기 위해서 철심 슬롯이 있는 내륜형 AFPM 발전기를 제안하였으며, 코깅토크 최소화를 위한 극호비 최적화에 관한 연구를 실시하였다. 그리고 3차원 유한 요소 해석 프로그램을 이용하여 유한 요소 해석법 (Finte Element Analysis)으로 제안된 AFIR-S(Axial Field Internal Rotor-Slotted) 발전기의 설계 및 해석을 하였다.
그림 1 (a)와 (b)는 기존의 Coreless AFPM 발전기와 제안된 AFIR-S 발전기의 구조를 각각 나타내었다. 기존의 Coreless AFPM 발전기는 고에너지 밀도의 Nd-Fe-B 영구자석이 디스크 표면에 부착된 두 개의 회전자 사이에 에폭시(epoxy)로 몰딩된 고정자가 위치한 형태의 구조를 보이며, 제안된 AFIR-S 발전기는 고정자 슬롯이 있는 두 개의 고정자 사이에 영구자석을 에폭시로 몰딩한 회전자가 위치한 형태의 구조이다. Coreless AFPM 발전기의 고정자와 AFIR-S 발전기의 회전자는 기계적 강도를 유지하기 위하여 에폭시수지로 몰딩처리하였다.

대상 데이터

따라서 전압 및 전류에 대한 해석이 필요한 코어 리스 AFPM 발전기의 총 메쉬는 75,690개이며, 영구자석의 skew 및 극호비에 따른 코깅토크 계산을 위한 내륜형 AFPM 발전기의 총 메쉬는 356,933개로 설정되어졌다. 그중에서도 공극이 있는 밴드는 정확한 해석을 위해 가장 많은 80,731개의 메쉬를 설정했다.
따라서 전압 및 전류에 대한 해석이 필요한 코어 리스 AFPM 발전기의 총 메쉬는 75,690개이며, 영구자석의 skew 및 극호비에 따른 코깅토크 계산을 위한 내륜형 AFPM 발전기의 총 메쉬는 356,933개로 설정되어졌다. 그중에서도 공극이 있는 밴드는 정확한 해석을 위해 가장 많은 80,731개의 메쉬를 설정했다.

이론/모형

3차원 유한 요소 해석에서는 시간절약을 위해 사용 되어지는 기법중 하나인 대칭 분할모델을 이용함으로써 해석시간을 더욱 단축할 수 있었다.
Coreless AFPM 발전기의 해석에는 1/10 대칭 분할 모델이 이용되어졌고, 내륜형 AFPM 발전기의 해석에서는 영구자석 극호비에 의한 코깅토크를 계산하기 위해서 1/5 대칭 분할모델을 이용하였다. 그림 4는 3 차원 유한 요소 해석에 사용되어진 AFPM 발전기의 대칭 분할모델을 나타내었으며, 경계 및 밴드 설정 또한 나타내었다.
본 논문에서는 AFPM 발전기의 전자기 구조개선, 코깅토크의 분석 및 출력특성 비교를 위하여 3차원 유한 요소법을 이용하였다. 기존의 방사 자속형 회전기의 경우, 계산시간 단축 및 모델링의 간편성 등의 이점으로 2차원 해석이 주로 사용되어져 왔다.

성능/효과

AFIR-S 발전기는 기존의 코어리스 AFPM 발전기에 비하여 약 2.5배의 출력전압 향상을 이루었으며, 동일체적에서 정격출력 1.2[kW]를 확보한 것을 보여준다.
그리고 3차원 유한 요소 해석기법을 이용한 전자기 구조 설계와 기구설계, 코깅토크를 최소화 할 수 있는 영구자석형상 설계 및 출력특성을 계산할 수 있었다.
29[A]의 실효 값을 가진다. 그리고 전압과 전류의 위상이 동상임을 알 수 있으며, 이러한 결과를 통하여 전기자 반작용 현상은 일어나지 않는 것을 보여준다.

후속연구

연구결과로서 전자기 구조설계와 극호비 변경을 통해 코깅토크 감소를 알 수 있었으며, 향후 시작품제작을 통해 코깅토크 해석을 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고정자 철심에 슬롯이 있는 AFPM 발전기의 단점은 무엇인가?	고정자 철심에 슬롯이 있는 AFPM 발전기는 Coreless AFPM 발전기에 비해서 출력밀도가 높지만, 고정자 철심 슬롯으로 인하여 기기의 전체적인 두께가 커지고 코깅토크가 높아지는 단점이 있다. 소형 풍력 터빈에서 발전기의 크기는 시스템의 제한적인 공간으로 인하여 설계 시에 중요하게 다루어지는 요소이며, 특히 코깅토크는 소형 풍력 발전기가 발전을 시작할 수 있는 바람의 최소풍속을 결정하는 요소로서 소음과 진동을 유발하므로 설계 시에 반드시 고려되어야하는 중요한 요소이다[3-4].
	AFIR-S 발전기에 비해 공극에서의 자기저항이 큰 Coreless AFPM 발전기의 공극에서는 어떤 현상이 일어나는가?	일반적으로 고정자 철심이 없는 구조의 Coreless AFPM 발전기는 철심슬롯이 있는 AFIR-S 발전기에 비해 공극에서의 자기저항이 크다. 따라서 자기저항이 증가하여 공극 자속밀도의 감소가 일어난다.
	기존에 이용되는 Coreless AFPM 발전기의 구조는 어떠한 모습인가?	기존의 Coreless AFPM 발전기는 고에너지 밀도의 Nd-Fe-B 영구자석이 디스크 표면에 부착된 두 개의 회전자 사이에 에폭시(epoxy)로 몰딩된 고정자가 위치한 형태의 구조를 보이며, 제안된 AFIR-S 발전기는 고정자 슬롯이 있는 두 개의 고정자 사이에 영구자 석을 에폭시로 몰딩한 회전자가 위치한 형태의 구조이다. Coreless AFPM 발전기의 고정자와 AFIR-S 발전기의 회전자는 기계적 강도를 유지하기 위하여 에폭시수지로 몰딩처리하였다.

참고문헌 (6)

Bumby. J. R, Martin. R, “Axial-flux permanent- magnet air-cored generator for small-scale wind turbines”, in Proceedings of IEEE Electric Power Applications, vol. ps-152, no.5. pp.1350-2352, sept. 2005.
Sadeghierad. M, Lesani. H, Monsef. H, Darabi. A, “Design considerations of high speed axial flux permanent magnet generator with coreless”, in Proceedings of Power Engineering 2007 Conference, Singapore, Dec 2007.
Yanto. H. A, Chun-Ta Lin, Jonq-Chin Hwang, Sheam-Chyun Lin, “Modeling and control of household- size vertical axis wind turbine and electric power generation system”, in Proceedings of PEDS 2009 Conference, Taipei, Nov. 2009.
Aydin. M, Zhu. Z. Q, Lipo. T. A, Howe. D, "Minimization of Cogging Torque in Axial Flux Permanent Magnet Machines Design Concepts", IEEE Transactions on Magnetics, vol. PS-43, no.9. pp.3614- 3622, Sept. 2007.

상세보기
Gieras J. F, Wang R. J, M. J. Kamper, “Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines” Kluwer Academic Publishers, pp. 37-41 2004.
Aydin. M, “Axial-Flux surface mounted permanent magnet disc machines for smooth torque traction drive application.” PhD Thesis, University of Wisconsin Madison, 2004.

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