[논문]서로 다른 자석 배열을 가지는 와전류 열원화 장치의 성능 측정

윤택한; 손영우; 이장호

doi:10.7849/ksnre.2013.9.1.017

서로 다른 자석 배열을 가지는 와전류 열원화 장치의 성능 측정
Performance Measurement of the Eddy Current Heat Generator with Different Array of Permanent Magnets 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.9 no.1, 2013년, pp.17 - 24

윤택한 (군산대학교 대학원 기계공학과) , 손영우 (세대 에너텍 설계본부) , 이장호 (군산대학교 공과대학 자동차기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Eddy Current is one of ways to make heat using rotational energy of wind turbine rotor. Four difference arrays of permanent magnets around rotor surface are used to generate heat using eddy current in this study. For the evaluation of heating performance, new test rig is prepared to measure water flow and temperatures in the inlet and outlet of the eddy current heat generator. In the test, torque and rotational speed are also measured in the motor driven system, and evaluated if the torque is matched with it of wind turbine rotor or not. It will be shown that the eddy current heat generator can be applied to real urban wind energy systems in this study.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 바람의 운동 에너지로부터 변환되는 블레이드의 회전 에너지가 열에너지로 직접 변환 될 수 있는 풍 열 원화 장치를 개발하고, 이 장치의 성능을 측정 할 수 있는 실험 장치를 새롭게 구성하였다. 이를 활용하여 여러 가지 자석 배열을 가진 회전자를 서로 다른 회전수에서 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
위 연구들은 와전류를 손실로 보는 연구들이지만, 다른 측면으로 와전류발열 장치의 열원 가능성을 보여주고 있다. 본 연구에서는 열 발생 장치로써의 와전류 발열장치를 구성하고 회전축이 풍력 블레이드의 회전축과 연동되어 작동 될 수 있도록 회전자에 여러 가지 자석 배열을 구현하였으며 이들의 토크와 열변환 효율을 측정하고 분석하여 풍력 블레이드와 연동되는 와전류 발열 장치의 가능성을 제시 한다.

제안 방법

1은 2D와 3D Modeling한 풍 열원화 장치의 그림이다. 실험 장치는 소규모 실험실 규모의 실내에 설치되고, 1kW 이내의 용량으로 성능 실험이 될 수 있도록 설계 제작되었다. 풍 열원화 장치의 알루미늄 외통 안에는 자석 배열을 가진 회전자가 배치되며, 알루미늄 외통에는 발열된 에너지를 회수하기 위한 냉각수로가 구성된다.
열 발생장치의 회전수에 따른 온도 변화를 알아보고 시스템의 열 변환 효율을 검토하기 위하여 600, 1200, 1800rpm의 세 가지 조건에서 실험이 실시되고, 자석배열에 따른 영향을 검토하기 위해 Fig. 5와 같이 총 네 가지 조건의 영구자석 배열이 검토 된다. 각 자석배열은 Case1을 기준으로 원주방향으로 격줄 씩 제거한 배열이 Case2, 길이방향으로 격줄 씩 제거한 배열이 Case3, 원주방향과 길이방향으로 격줄 씩 제거한 배열이 Case4 이다.
등은 와전류 손실을 열 전도판의 형상에 따라서 분석하였다. 특히 열 전도판을 분할하여서 각각을 전기적으로 절연시키는 방법 혹은, 열 전도판에 슬릿(Slit)효과를 주는 방법을 제안하고 이를 해석하였다. 해석 결과, 열 전도판의 분할에 따른 와전류 손실 저감 효과를 확인하였고, 또한 슬릿의 위치와 개수에 따라 변화하는 와전류 손실의 특성이 확인되었다.

대상 데이터

본 실험에 사용 된 자석은 희토류 영구자석의 종류로써 높은 잔류자속밀도와 보자력 특성을 가지는 네오디움 자석을 선택하였다. 표면에서의 잔류자속밀도는 평균 4,000GAUSS이며 보자력은 880kA/m인 특성을 가진다.
3의 계측 장비로 이루어져 있다. 실험 장치는 풍 열원화 장치와이 장치의 회전자 토크 및 회전수를 계측 할 수 있는 토크미터, 동력을 전달해주는 AC 삼상모터로 구성 되어 있으며 편심과 편각을 보완할 수 있는 플렉시블 커플링으로 축이 연결된다.

성능/효과

1. 열 변환 효율은 회전자의 회전수에 따라 크게 변화하지 않으며 회전수에 상관없이 약 90% 이상의 변환 효율이 나타나는 것으로 측정되었다.
2. 원주방향의 자석 배열이 촘촘하게 배열된 것 보다 여유롭게 배치된 경우의 회전토크가 오히려 더 증가되는 것으로 나타났으며 이는 회전자의 자력선이 일정부분 안정적으로 확보되기까지 원주방향의 자석 사이의 공간이 커짐에 자력선의 분포 공간이 충분히 확보되어 회전토크가 증가하는 현상으로 판단되며 이러한 현상은 자석수의 감소로 인한 자력선 세기의 감소효과가 나타나는 간격까지 계속될 것으로 추정된다.
등은 컨버터용 변압기의 여자전류 해석을 통해, 자속밀도-여자 전류 곡선 그래프를 도출하였으며, 이를 통해 DC성분 유입시 철심이 포화되는지를 확인하였다. 또한 와전류 손실해석을 통해 각각 다른 두 재질의 손실을 비교하였고 누설 자속이 Lock Plate의 STS가 아닌 SS400에 집중이 됨을 확인 하였다.
본 실험의 불확도는 최대 2% 미만인 것으로 분석되었다(APPENDIX 참조).
6에 각각 나타내었다. 실험을 통한 모든 Case의 열 변환 효율은 Fig.6 과 같이 90%이상으로 확인 되었으며, 회전수의 변화에 따라 큰 차이는 보이지 않는 것으로 나타났다.
특히 열 전도판을 분할하여서 각각을 전기적으로 절연시키는 방법 혹은, 열 전도판에 슬릿(Slit)효과를 주는 방법을 제안하고 이를 해석하였다. 해석 결과, 열 전도판의 분할에 따른 와전류 손실 저감 효과를 확인하였고, 또한 슬릿의 위치와 개수에 따라 변화하는 와전류 손실의 특성이 확인되었다.

후속연구

3. 회전자의 자석배열 실험을 통해 발열장치의 회전 토크를 수십 배 이상 크게 변화시키거나 미세하게 조정할 수 있음이 확인되었었으며 이를 통해 같은 회전에너지라도 다양한 토크와 회전수의 운전 점이 결정될 수 있을 것이다. 이에 따라 풍력블레이드의 토크와 발열장치의 토크가 서로 매칭 되도록 설계될 수 있을 것이며 발열장치의 회전축은 풍력블레이드의 공력토크에 의해 구동될 수 있게 될 것이다.
이에 따라 풍력블레이드의 토크와 발열장치의 토크가 서로 매칭 되도록 설계될 수 있을 것이며 발열장치의 회전축은 풍력블레이드의 공력토크에 의해 구동될 수 있게 될 것이다. 향후, 발열장치 회전자의 회전토크를 현실에 맞게 조정하고 풍력블레이드의 발생토크와 매칭하기 위한 추가적인 연구들이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형풍력발전 시스템은 어디에서 정격 발전량이 결정되는가?	소형풍력발전 시스템은 정격풍속과 정격 회전수에서 정격 발전량이 결정되고 그에 따라서 풍력 블레이드의 공력특성이 결정 된다. 이때 풍속이 증가하면 바람에너지는 풍속의 3승에 비례하여 증가하는데 정격 풍속 이상이 되면, 발전기 보호를 위해서 발전량이 더 이상 증가하지 않도록 제어 된다.
	와전류 발열에서 영구자석의 자속이 N극에서 S극으로 이동하는 동안 외통을 관통하게 될 때의 어떻게 주울열이 발생하게 되는가?	여러 발열 방식 중 와전류 발열의 원리는 도전성 재질의 외통 안에 있는 영구자석을 회전시켜 외통에서 열이 발생되게 하는 것이다. 영구자석의 자속이 N극에서 S극으로 이동하는 동안 외통을 관통하게 되면, 자석이 회전하면서 이동자계에 의해 외통에 와전류가 유기되고 주울열이 발생된다. 와전류로 인해 얻은 열에너지는 축열 수조에 회수 저장되어 난방 및 냉방의 열원으로 활용 될 수 있다.
	바람에너지가 회전에너지로 변환 될 때의 최대 효율은 Betz 이론에 따르면 약 몇 프로인가?	Table 1은 바람에너지가 전기와 열로 변환 하였을 경우의 효율을 대략적으로 비교한 것이다. 바람에너지가 회전에너지로 변환 될 때의 최대 효율은 Betz(1)이론에 따라 약 60% 정도이다. 그리고 회전에너지가 전기에너지로 변환 될 경우 회전 수에 따라 발전기의 효율이 달라지는데, Cut-in풍속에서는 발전기 효율이 약 20%정도이며 정격 풍속 일 경우에는 약 85%정도이고, cut-out 풍속 일 경우는 시스템을 정지 시켜 출력이 없게 된다.

참고문헌 (6)

Peter Jamieson, "INNOVATION IN WIND TURBINE DESIGN", A john Wiley & Sons, Ltd, Publication, pp.14-16.
윤동원, 박희창, 홍용주, 이성휘, 김병인, 함상용, 2009, "와전류를 이용한 발열기의 개발", 대한기계학회, 대한기계학회 논문집 B권, 제33권 제8호 (통권 제287호), pp. 565-572.

원문보기 상세보기
이상엽, 곽상엽, 박명진, 김우석, 이지광, 최경달, 배준한, 2007, "600 kJ SMES용 열 전도판의 구조에 따른 와전류 손실 특성", 대한전기학회, 2007 대한전기학회 전기기기 및 에너지변환시스템부문회 춘계학술대회 논문집, pp. 132-133.
이정근, 이곤, 조익춘, 2008, "FEM을 이용한 컨버터용 변압기 여자전류 및 와전류 손실해석", 대한전기학회, 2008 대한전기학회하계학술대회 논문집, pp. 750-751.
장석명, 조한욱, 이성호, 정연호, 2002, "영구자석 브러시리스 AC모터의 와전류 손실 특성해석", 대한전기학회, 2002 대한전기학회하계학술대회 논문집 B, pp. 700-702.
이정종, 정재우, 이상호, 권순오, 홍정표, 2008, "유한요소해석을 이용한 영구자석의 와전류 손실 해석", 대한전기학회, 2008 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 794-795.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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