[논문]철심 재질에 따른 철손 계수 산정 및 IPMSM의 철손 계산

강보한; 김용태; 조규원; 이정규; 장기봉; 김규탁

doi:10.5370/kiee.2012.61.9.1269

철심 재질에 따른 철손 계수 산정 및 IPMSM의 철손 계산
Estimation Iron Loss Coefficients and Iron Loss Calculation of IPMSM According to Core Material 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.61 no.9, 2012년, pp.1269 - 1274

강보한 (창원대 공대 전기공학과) , 김용태 (창원대 공대 전기공학과) , 조규원 (창원대 공대 전기공학과) , 이정규 ((주) LG이노텍) , 장기봉 (창원대 공대 전기공학과) , 김규탁 (창원대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the iron loss was calculated using estimated iron loss coefficient at 650W Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) and 250W IPMSM. The iron loss coefficients was estimated different according to electrical steel material used to stator and rotor core in motor. Aspect of The rotating flux field and alternating flux field was confirmed by magnetic field behavior and harmonic analysis in stator core, the iron loss was calculated using flux density by Finite Element Method(FEM) and estimated coefficients by iron loss coefficient estimation proposed in this paper. The iron loss experiment was performed for verified to iron loss calculation, and the iron loss coefficients were verified by comparison of iron loss calculation value and experimental value.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 고정자 및 회전자 철심에 전기강판 50PN1300을 사용한 650W급 IPMSM과 50PN800을 사용한 250W급 IPMSM의 자계거동 분석을 통하여 철손계수를 산정하여 철손을 계산하였으며, 재질에 따라 철손 변화 특성을 고찰하였다.
본 논문에서 전기강판 50PN1300을 사용한 650W급 IPMSM과 50PN800을 사용한 250W급 IPMSM의 주파수에 따른 철손 계수를 산정하고, 철손 결과 계산 및 철손비를 분석하였다. 철손은 전기강판의 제작사에 의해 제작되는 주파수에 따른 철손-자속밀도 데이터의 분석과 Steinmetz 방정식을 적용하여 자속밀도와 주파수에 따라 변하는 철손 계수를 산정하여 고조파를 고려한 철손을 계산하였다.
또한 전기자 전류 인가 시에는 교번자계에서 회전자계로 변화하는 영역이 발생하여 철손을 증가시키는 원인이 된다. 전류 통전 시 발생하는 철손 양상 변화는 차기 연구에서 상세히 고찰하도록 한다.

제안 방법

그림 9는 철손 실험을 위한 측정 시스템이다. 구동용 모터는 인버터를 이용하여 구동시키고 인버터 출력단에서 구동용 모터를 구동시키기 위해 필요한 전력을 측정하기 위해 전력 계측기를 사용하였고, 기계손을 측정하기 위해 영구자석이 착자되지 않은 무착자 모터를 제작하여 실험하였다. 실험절차에 대한 자세한 내용은 그림 10에 나타내었다.
식 (1)의 경우 철심재료 및 영구자석 잔류자속 증가에 따라 와전류손은 민감하게 대응하고 있으나 히스테리시스 손실에 대하여는 대응이 미흡하다. 따라서 본 논문에서는 영구자석 및 철심 재질의 향상 및 전기기기의 Compact화에 따른 자속밀도의 증가에 대하여 식 (2)와 같이 Steinmetz 상수를 2로 고정시키고 나머지 계수들을 산정하는 방법을 제안하였다.
70%, 이상와전류 손실은 전체 철손의 10% 내외의 비율을 차지하고 있다[7]. 따라서 철손 계수 산정이 정확하게 이루어 졌는지에 대한 확인을 하기 위해 표 7과 같이 각각의 손실에 대한 비율을 나타내었다. 철손 손실비 계산 결과 구동 주파수인 200Hz에서 히스테리시스 손실은 31.
IPMSM의 철손은 고조파 성분이 포함되어 있기 때문에 표 2의 계수로는 계산에 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 고조파 성분까지 계산하기 위하여 표 3과 같이 주파수에 대하여 구동주파수인 200Hz의 20차수 고조파인 4000Hz까지 철손 계수를 산정하였고, 표 3의 철손 계수를 이용하여 그림 6과 같이 주파수대 철손 계수의 그래프로 나타내었다.
1보다 크면 회전자계 영역으로 정의하였다[4]. 본 연구에서는 그림 2와 같이 650W급 IPMSM과 250W급 IPMSM의 고정자 치를 55개의 영역으로 분할하여 각각의 영역에서 자계 거동 분석을 시행하였고, 영역에 따른 자계의 형태를 고찰하였다.
철손은 전기강판의 제작사에 의해 제작되는 주파수에 따른 철손-자속밀도 데이터의 분석과 Steinmetz 방정식을 적용하여 자속밀도와 주파수에 따라 변하는 철손 계수를 산정하여 고조파를 고려한 철손을 계산하였다. 영구자석 및 철심 재질의 향상 및 전기기기의 Compact화에 따른 자속밀도의 증가에 대하여 본 논문에서는 Steinmetz 상수를 2로 고정시키고 나머지 계수들을 산정하였다. Steinmetz 상수값을 2로 고정시키는 것으로 인해 3개의 계수를 산정하게 되고, 3개의 손실계수가 더 정확하게 산정되는 장점이 있다.
제공된 Epstein 데이터는 설계자가 원하는 자속 밀도와 원하는 주파수에 대한 정보가 제공되지 않으므로, 제공받은 데이터를 이용하여 설계자가 원하는 주파수 대역에서 철손 계수를 산정해야 한다. 제작사에서 제공한 Epstein 데이터를 바탕으로 전기강판 50PN1300 및 50PN800의 철손 계수를 산정하였다.
표 4 및 그림 7에서 산정된 계수들 또한 50, 60, 100, 200Hz의 주파수 영역에서만 만족하는 값이기 때문에 표 5와 그림 8에서 나타낸 것과 같이 철손의 고조파 성분까지 계산하기 위해서 250W급 IPMSM의 구동주파수인 100Hz의 20차수 고조파인 2000Hz까지의 철손 계수를 산정하였다.

대상 데이터

본 논문에서 적용한 모델은 그림 1과 같은 650W급 IPMSM과 250W급 IPMSM이다.

이론/모형

철손 계산을 위해서 유한요소법(Finite Element Method : FEM)을 이용하여 전동기의 자속밀도 값을 계산하고, 자계 거동 및 고조파 분석을 실시하였다. 변압기와는 다르게 회전기에서는 교번자계와 회전자계가 같이 발생하여 철심 내부에는 비정현적인 양상의 복잡한 자계분포가 나타난다.
본 논문에서 전기강판 50PN1300을 사용한 650W급 IPMSM과 50PN800을 사용한 250W급 IPMSM의 주파수에 따른 철손 계수를 산정하고, 철손 결과 계산 및 철손비를 분석하였다. 철손은 전기강판의 제작사에 의해 제작되는 주파수에 따른 철손-자속밀도 데이터의 분석과 Steinmetz 방정식을 적용하여 자속밀도와 주파수에 따라 변하는 철손 계수를 산정하여 고조파를 고려한 철손을 계산하였다. 영구자석 및 철심 재질의 향상 및 전기기기의 Compact화에 따른 자속밀도의 증가에 대하여 본 논문에서는 Steinmetz 상수를 2로 고정시키고 나머지 계수들을 산정하였다.

성능/효과

650W급의 경우 사용된 철심이 규소함유량이 적은 전기강판 50PN1300으로 철손 중 히스테리시스 손실이 차지하는 비율이 250W급 IPMSM(50PN800)에 비해 매우 높게 나타났다. 예를 들어 100Hz의 동일 주파수에서 650W급은 히스테리시스 손실이 차지하는 비율이 44.
1보다 큰 회전자계가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 치의 중간부에 해당하는 17 ^~ 28 영역은 반경방향 성분으로만 크기가 바뀌는 교번자계가 발생하였고, 요크부분에 해당하는 38 ^~ 55 영역에서는 접선방향 성분으로만 크기가 바뀌는 교번자계가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 적용한 650W 급의 전동기의 경우, 회전자계가 발생하는 영역에서의 철손은 전체 철손의 21.
실험결과 650W급, 250W급 두 모델에서 650W급에서 최대 2.21W, 250W급에서 최대 1.05W의 오차를 나타내고 있다. 이는 전력 계측기로 입력을 측정 시 항상 일정한 입력이 측정되지 않고 0.
W_h는 히스테리시스 손실 계수, W_e는 와전류 손실 계수 W_a는 이상 와전류 손실 계수, W_i는 전체 철손 값이다. 철손 계산 결과 구동주파수인 200Hz에서 철손이 29.62W로 계산되었다. 철손 수식을 산정하면, 히스테리시스 손실 계수, 와전류 손실 계수, 이상와전류 손실 계수들이 산정되어 각각의 손실에 대해 계산이 가능하다.
따라서 철손 계수 산정이 정확하게 이루어 졌는지에 대한 확인을 하기 위해 표 7과 같이 각각의 손실에 대한 비율을 나타내었다. 철손 손실비 계산 결과 구동 주파수인 200Hz에서 히스테리시스 손실은 31.76%, 와전류 손실은 60.18% 이상와전류 손실은 8.05%로 회전기에서 발생하는 히스테리시스 손실과 와전류 손실 비율에 근접한 결과를 얻을 수 있었다.
그림 3은 650W급 IPMSM의 고정자의 대표적인 영역에서 자계 거동 및 고조파 분석 결과를 나타내었다. 치의 끝단부인 1 ^~4, 6 ^~ 7, 13 ^~ 16 영역과 치와 요크의 연결부에 해당하는 29 ^~ 35 영역에서는 축비가 0.1보다 큰 회전자계가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 치의 중간부에 해당하는 17 ^~ 28 영역은 반경방향 성분으로만 크기가 바뀌는 교번자계가 발생하였고, 요크부분에 해당하는 38 ^~ 55 영역에서는 접선방향 성분으로만 크기가 바뀌는 교번자계가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
앞 절에서 서술한 내용과 같이 250W급 IPMSM의 철손을 계산하였고, 그 결과를 표 8에 나타내었다. 표 8에서 나타난 철손 계산 결과 250W급 IPMSM에서 구동주파수인 100Hz에서 12.67W의 철손이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 표 9은 철손 손실비를 분석결과를 나타낸 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철손 계산에 관한 연구가 여전한 이유는?	철손의 경우 Steinmetz가 철손에 관한 수식을 정의하고 100여년이 지났지만, 철손 계산에 관한 연구는 여전히 진행 중에 있다[3]. 이는 영구자석의 잔류 자속 밀도 증가 및 강자성체 사용과 철심 재질의 향상으로 인하여, Steinmetz가 산정하였던 철손 계수로는 향상된 철심 재질에 적용하기 어렵기 때문이다.
	매입형 영구자석 동기 전동기가 고속 운전에 적합한 이유는?	매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor : IPMSM)는 영구자석이 회전자에 매입되어 있으므로 높은 속도에서 자석의 비산을 방지할 수 있어 고속운전에 적합하다. 그러나, 다른 전동기와 비교했을 때 코깅토크가 크게 발생하기 때문에 이에 대한 진동과 소음이 많이 발생하게 된다[1].
	매입형 영구자석 동기 전동기의 단점은?	매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor : IPMSM)는 영구자석이 회전자에 매입되어 있으므로 높은 속도에서 자석의 비산을 방지할 수 있어 고속운전에 적합하다. 그러나, 다른 전동기와 비교했을 때 코깅토크가 크게 발생하기 때문에 이에 대한 진동과 소음이 많이 발생하게 된다[1]. 또한, IPMSM은 포화 영역에서 동작하게 되는데, 이러한 특성은 자속밀도의 고조파 성분이 많이 발생하게 됨은 물론 높은 주파수 영역에서 동작함으로 철손이 많이 발생하게 되고, 이로 인하여 전동기의 발열이 문제되게 된다[2]. 철손에 의해 발생된 과도한 열은 전동기 영구자석의 감자 및 기기의 효율 저감에 영향을 주게 된다. 따라서 IPMSM의 설계 단계에서 철손을 정확하게 계산하는 것이 중요하다[2].

참고문헌 (7)

Gyu-Hong Kang, Jung-Pyo Hong, Gyu-Tak Kim, and Jung-Woo Park, "Improved Paramater Modeling of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Finite Element Analysis" IEEE Trans. on Magnetics, vol. 36, no. 4, pp.1867-1870, 2000.

상세보기
임우경, 서장호, 정현교 "구동조건을 고려한 매입형 영구자석 동기 전동기의 철손 분석" 대한전기학회 2009년 전기기기 및 에너지변환시스템부문회 춘계학술대회 논문집, pp. 73-75, 2009.4
D. M. Ionel, M. Popescu, S. J. Dellinger, T. J. E. Miller, R. J. Heideman, and M. I. McGilp, "On the variation with flux and frequency of the coreloss coefficients in electrical machines," IEEE Trans. Ind. Apply, vol. 42, no. 3, pp. 658-668, May/Jun. 2006.

상세보기
하경호, 차상윤, 김재관, 홍정표 "영구자석형 모터의 고정자 철심에서 자계의 거동 및 철손 분석" 대한전기학회 논문지 B, 제55B권 제2호 pp. 76-82. 2006. 2

원문보기 상세보기
장석명, 조한욱, 고경진, "고속으로 운전되는 영구자석형 동기전동기의 철손 및 풍손 해석." 대한전기학회, 전기학회논문지 B, 제55B권 제10호 2006.10, page(s): 511-520

원문보기 상세보기
Y.Chen, P.Pillay, "An Improved formula for lamination core loss calculations in machines operating with high frequency and high flux density excitation" Industry Application Conference. Vol. 2 pp. 13-18, 2002
Sadowski N, Lajoie-Mazenc M, Bastos J.P.A, Ferreira da Luz M.V, Kuo-Peng P "Evaluation and analysis of iron losses in electrical machines using the rain-flow method", Magnetics, IEEE Transactions on, Vol.36, No.4, pp. 1923-1926, 2000

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증