[논문]권선방식 차이에 따른 영구자석 선형 동기 전동기의 단부 코깅력 해석

김용재; 김성진

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.6.889

초록
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영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor:이하 PMLSM)는 구조적으로 간단하며 고속화 고추력화 등의 많은 장점을 가지고 있지만 전기자 권선부의 슬롯-치 구조로 인한 코깅력과 단부효과에 의한 코깅력이 발생한다. 이는 추력 맥동의 원인이 되며, 소음과 진동을 발생시킨다. 따라서, 본 연구에서는 전기자를 분산배치 할 경우 필연적으로 생기는 단부에 의한 코깅력을 저감하기 위해 PMLSM의 가동자에 보조극의 설치를 제안하였다. 또한 2차원 유한요소법(Finite Element Analysis)을 이용하여 단부 코깅력이 최소가 되는 보조극의 형태를 설계하고 전기자의 권선 방식에 따른 단부 코깅력 특성을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

PMLSM is structurally simple and it have a lot of merits such high speed, high thrust force etc., but cogging force by slot-teeth structure of armature and cogging force by outlet edge effect occurs. This is the cause of thrust force ripple and generate the noise and vibration. Therefore, in this pa...

PMLSM is structurally simple and it have a lot of merits such high speed, high thrust force etc., but cogging force by slot-teeth structure of armature and cogging force by outlet edge effect occurs. This is the cause of thrust force ripple and generate the noise and vibration. Therefore, in this paper we proposed installation of an auxiliary pole to mover of the PMLSM in order to decrease cogging force by the outlet edge which came necessarily into being discontinuous arrangement of the armature. Also, outlet edge cogging force designed a form of the auxiliary pole which the minimum became, and we compared a outlet edge cogging force characteristic along a winding method of an armature as we used 2-D of finite element analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 전기자 분산배치 PMLSM의 운전특성을 향상시키기 위해 추력리플로 작용하는 단부 효과에 의한 코깅력을 저감하기 위해 기존의 가동자의 끝단에 보조극를 설치하였다. 먼저 보조극의 설계 변수를 정하고 그 변수를 조절하여 발생되는 단부 코깅력의 값을 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 비교하였다.

제안 방법

가동자의 Back iron 끝단을 기준으로 보조극을 설치한 경우 X길이는 가동자 Back iron 끝단에서 영구자석 끝단까지의 길이인 10[mm]에서 6[mm]까지 2[mm] 간격으로 줄이면서 해석을 수행하였다. 또한 가동자의 영구자석 끝단을 기준으로 보조극을 설치한 경우 X길이는 8[mm], 6[mm]로 해석을 수행하였다.
코깅력은 추력 맥동의 원인이 되어 기기의 소음과 진동을 발생시키고, 성능을 저감시키는 요소이다[5,6]. 따라서, 본 논문에서는 단부 코깅력을 줄이기 위하여 가동자의 끝단에 보조극을 설치하고 전기자 권선방식에 따른 단부 코깅력 특성을 2차원 유한 요소법(FEA)을 이용하여 파악하였다.
가동자의 Back iron 끝단을 기준으로 보조극을 설치한 경우 X길이는 가동자 Back iron 끝단에서 영구자석 끝단까지의 길이인 10[mm]에서 6[mm]까지 2[mm] 간격으로 줄이면서 해석을 수행하였다. 또한 가동자의 영구자석 끝단을 기준으로 보조극을 설치한 경우 X길이는 8[mm], 6[mm]로 해석을 수행하였다. Y길이는 기본 모델의 영구자석 높이와 동일하게 3[mm]로 고정하고 해석을 수행하였다.
가동자의 Back iron 끝단을 기준으로 보조극을 설치한 경우 X길이는 가동자 Back iron 끝단에서 영구자석 끝단까지의 길이인 10[mm]에서 6[mm]까지 2[mm] 간격으로 줄이면서 해석을 수행하였다. 또한, Y길이는 기본 모델의 영구자석 높이와 동일하게 3[mm]로 고정하고 해석을 수행하였다. 그림 12에 보조극의 설계 변수 X길이 조절 모델의 단부 코깅력을 나타낸다.
본 논문은 전기자 분산배치 PMLSM의 운전특성을 향상시키기 위해 추력리플로 작용하는 단부 효과에 의한 코깅력을 저감하기 위해 기존의 가동자의 끝단에 보조극를 설치하였다. 먼저 보조극의 설계 변수를 정하고 그 변수를 조절하여 발생되는 단부 코깅력의 값을 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 비교하였다. 그 결과, 분포권 PMLSM에서 최대 단부 코깅력이 가장 많이 저감된 모델은 X=10[mm], Y=3[mm]이고, 최대 단부 코깅력의 크기는 10.

대상 데이터

그림 7에 가동자에 설치한 보조극의 Y길이를 조절한 경우의 모델을 나타낸다. X길이는 단부 코깅력이 가장 저감된 10[mm]로 고정하고, Y길이는 각각 2[mm], 3[mm], 4[mm]로 해석을 수행하였다. 그림 8에 보조극의 설계 변수 Y길이 조절 모델의 단부 코깅력을 나타낸다.
그림 13에 가동자에 설치한 보조극의 Y길이를 조절한 경우의 보조극의 형태를 나타낸다. X길이는 단부 코깅력이 가장 저감된 10[mm]로 고정하였고, Y길이는 각각 2[mm], 3[mm], 4[mm]로 해석을 수행하였다. 그림 14에 보조극의 설계 변수 Y길이 조절 모델의 단부 코깅력을 나타낸다.
보조극의 설계 변수는 분포권 PMLSM과 동일하게 그림 9의 (b)에 나타낸 폭(X)과, 높이(Y)로 선정하였다.

성능/효과

먼저 보조극의 설계 변수를 정하고 그 변수를 조절하여 발생되는 단부 코깅력의 값을 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 비교하였다. 그 결과, 분포권 PMLSM에서 최대 단부 코깅력이 가장 많이 저감된 모델은 X=10[mm], Y=3[mm]이고, 최대 단부 코깅력의 크기는 10.20[N]이 발생하여 기본모델 대비 약 24[%] 감소하였다. 또한 집중권 PMLSM에서 최대 단부 코깅력이 가장 많이 저감된 모델은 X=10[mm], Y=4[mm]이며, 최대 단부 코깅력의 크기는 25.
20[N]이 발생하여 기본모델 대비 약 24[%] 감소하였다. 또한 집중권 PMLSM에서 최대 단부 코깅력이 가장 많이 저감된 모델은 X=10[mm], Y=4[mm]이며, 최대 단부 코깅력의 크기는 25.09[N]이 발생하여 기본모델 대비 약 15.83[%] 감소하였다. 이로써 전기자 분산배치 PMLSM에 보조극를 설치하면 최대 단부 코깅력을 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
83[%] 감소하였다. 이로써 전기자 분산배치 PMLSM에 보조극를 설치하면 최대 단부 코깅력을 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과로 PMLSM의 단부 구조 설계 시 본 연구에서 얻어진 결과를 고려하여 설계한다면 반송시스템 구조의 최적화를 꾀할 수 있을 것으로 사료된다.
그림 8로부터, Y길이 조절 모델 중 최대 단부 코깅력이 가장 저감된 모델은 Proposed model#1(Y=3[mm])로 확인되었다. 이로써, 분포권 PMLSM의 가동자에 보조극을 설치할 경우 보조극의 폭(X)은 가동자의 Back iron 끝단에서 영구자석 끝단까지의 길이인 10[mm]가 적합하고, 높이(Y)는 영구자석 높이와 동일한 높이인 3[mm]로 선정하는 것이 적합함을 알 수 있었다.
24[N]이 발생하였다. 집중권 PMLSM 역시 분포권 PMLSM과 마찬가지로 영구자석 끝단에서 가동자의 Back iron 끝단까지 보조극을 설치한 모델에서 최대 단부 코깅력이 가장 감소함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이로써 전기자 분산배치 PMLSM에 보조극를 설치하면 최대 단부 코깅력을 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과로 PMLSM의 단부 구조 설계 시 본 연구에서 얻어진 결과를 고려하여 설계한다면 반송시스템 구조의 최적화를 꾀할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자 권선부의 슬롯-치 구조로 인한 코깅력과 단부효과에 의한 코깅력이 발생하면 무엇을 야기하는가?	영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor:이하 PMLSM)는 구조적으로 간단하며 고속화 고추력화 등의 많은 장점을 가지고 있지만 전기자 권선부의 슬롯-치 구조로 인한 코깅력과 단부효과에 의한 코깅력이 발생한다. 이는 추력 맥동의 원인이 되며, 소음과 진동을 발생시킨다. 따라서, 본 연구에서는 전기자를 분산배치 할 경우 필연적으로 생기는 단부에 의한 코깅력을 저감하기 위해 PMLSM의 가동자에 보조극의 설치를 제안하였다.
	영구자석 선형 동기 전동기의 장점은 무엇인가?	영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor:이하 PMLSM)는 구조적으로 간단하며 고속화 고추력화 등의 많은 장점을 가지고 있지만 전기자 권선부의 슬롯-치 구조로 인한 코깅력과 단부효과에 의한 코깅력이 발생한다. 이는 추력 맥동의 원인이 되며, 소음과 진동을 발생시킨다.
	영구자석 선형 동기 전동기의 단점은 무엇인가?	영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor:이하 PMLSM)는 구조적으로 간단하며 고속화 고추력화 등의 많은 장점을 가지고 있지만 전기자 권선부의 슬롯-치 구조로 인한 코깅력과 단부효과에 의한 코깅력이 발생한다. 이는 추력 맥동의 원인이 되며, 소음과 진동을 발생시킨다.

참고문헌 (6)

이호형, 조황, 이기서, "Sensorless BLDC 전동기 구동을 위한 개선된 스위칭 방법", 한국전자통신학회논문지, 제5권, 제2호, pp. 164-170, 2010.

원문보기 상세보기
김종선, "센서리스 BLDC 전동기의 강인한 속도 제어", 한국전자통신학회논문지, 제3권, 제4호, pp. 266-275, 2008.

원문보기 상세보기
양수영, 권준아, 김원중, "풍력발전기 운영시스템의 설계", 한국전자통신학회논문지, 제6권, 제1호, pp. 135-141, 2011.

원문보기 상세보기
M. Karita, "Present Status of Linear Drives for Industry Applications in Japan", Proc. IEEJ conf. Linear Drives for in dustry applications, pp. 462-467, 2001.
K. G. Lim, "Detent force Minimization Techniques in Permanent Magnet Linear Synchronous Motor", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 38, No. 2, pp. 1157-1160, 2002.

상세보기
L. S. Jung, "Analysis of forces in a short primary type and a short secondary type permanent magnet linear synchronous motor", IEEE Trans. Energy Conversion, pp. 1365-1270, 1999.

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