[논문]300W급 이중 공극 구조 PMSM 설계 및 출력 특성에 관한 연구

김승주; 김윤환; 최한석; 문재원

doi:10.5207/jieie.2014.28.4.080

300W급 이중 공극 구조 PMSM 설계 및 출력 특성에 관한 연구
A Study on Output and Design of Permanent Magnet Synchronous Motor with Dual-gap 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.4, 2014년, pp.80 - 87

김승주 (한국기계전기전자시험연구원) , 김윤환 (한국기계전기전자시험연구원) , 최한석 (한국기계전기전자시험연구원) , 문재원 (한국기계전기전자시험연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper suggests the dual-gap for generating power and increasing the torque of a direct-drive permanent magnet synchronous motor in a hybrid-cycle. To consider easy coil winding, we applied a structure of dual-gap for the permanent magnet synchronous motor (PMSM). Because the torque of PMSM with the dual-gap is very large, we are designed the appropriate specifications of the PMSM by selected the appropriate dual-gap slot and poles combination. The prototype model is selected by design theory for increasing torque and maximizing output power of PMSM. And the detailed structure design of the model was designed by the loading distribution method. The PMSM models were analyzed by finite element method. Finally, we have suggested appropriate rotor structure has benefit to further increasing torque and prevent decreasing of the output power in PMSM with dual-gap.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

일반적으로 코깅토크는 자속이 영구자석에서 고정 자치(teeth)로 흐를 때 발생하며, 이중공극구조시 다극 구조로써 코깅 토크가 적은 구조이다. 그러므로 본 논문에서는 PMSM의 코깅토크 감소 및 발전 전력량 증가를 위해 이중 회전자 구조를 제안한다.
또한, 영구자석형 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 PMSM)는 최대 에너지적이 높은 회토류계 영구자석의 사용으로 높은 발전 효율과 계자권선이 필요한 타 전동기에 비해 구조가 단순하여 제작이 용이하다[5-6]. 따라서 본 논문에서는 훈련용 사이클 이중 공극 구조 영구자석형 전동기 전 자계 구조 설계 및 토크 개선에 관한 연구를 수행하였으며, 관련 특성을 해석하려고 한다.
본 논문은 동력을 보조하기 위해 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 하는 전동기 역할을 같이 수행할 수 있는 이중 공극 구조 영구자석형 동기전동기 설계에 관한 것이다. 또한 선수 훈련용 사이클 (Cycle)의 운동부하 조절을 위한 시스템에서 운전 중에 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환 하도록 하는 장치로써 휴먼에너지의 신재생이 가능한 친환경적이며 출력밀도가 높은 발전기가 된다[1-2].
본 논문은 선수 훈련용 사이클(Cycle) 이중 공극 구조 방식 PMSM의 설계 및 특성을 해석하였다. 설계된 PMSM은 기동 및 초기 구동시 저속으로 운전되므로 해당 조건에서 토크의 최대화와 유기기전력의 고조파 저감을 위해 설계식 및 설계이론에 근거하여 극수 및 슬롯수를 선정하였으며, 장하분배법에 의해 PMSM의 치수를 산출하였다.

제안 방법

은 슬롯수, 2p는 극수를 나타낸다. 18슬롯 근처의 값이면서도 다극이 되도록 18이하의 수치인 14극, 16극, 18극 세 극수에 대하여 평행 3상권선 조건과 권선계수에 의하여 설계를 수행하였다.
그림 3 (a)는 전동기 구동회로를 나타낸다. 3상 인버터 입력에 직류전원이 공급되고 전동기의 3상 권선이 인버터 출력단에 연결하여 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 그림 3 (b)에서 부하 저항을 가변함에 따라 출력 전류와 발전 전압은 변한다.
슬롯수가 18일 때 권선계수 및 THD특성은 16극이 가장 좋음을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 18슬롯 16극 모델을 선택하여 장하 분배법에 의한 모델의 치수를 선정하고 유한요소해석법으로 특성 해석을 하였다.
장하분배법에 의해 설계된 PMSM의 경우 Dual -Gap Type의 회전자를 사용함으로써 일반적인 회전자 구조와 비교하여 토크가 상대적으로 큰 특징을 가진다. 따라서 설계된 PMSM 모델의 토크를 최대한 증가시키기 위하여 영구자석 극호각을 조정하였다.
설계된 전동기는 토크 및 출력을 높일 수 있도록 이중 구조의 회전자를 설계함으로써 일정 수준 이상의 출력을 확보할 수 있게 하였다. 또한 기동이 원활히 될 수 있도록 일반 구조의 전동기에 비해 토크를 증가시키기 위해 이중 회전자 적용하여 DG-PMSM (Dual-Gap Permanent Magnet Synchrous Motor)를 설계하였다.
또한 이중 공극 구조 형상을 고려함으로써 코깅토크가 작으며, 발전 전력량을 적절하게 유지하는 모델을 제시하였다. 유한요소해석법을 이용한 특성해석을 통해 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
설계된 PMSM은 기동 및 초기 구동시 저속으로 운전되므로 해당 조건에서 토크의 최대화와 유기기전력의 고조파 저감을 위해 설계식 및 설계이론에 근거하여 극수 및 슬롯수를 선정하였으며, 장하분배법에 의해 PMSM의 치수를 산출하였다. 또한 토크 증가를 위해 이중 공극 구조의 형상 설계를 하였다.
본 설계는 장하 분배법을 이용하였으며, 이를 위해 먼저 선정되어야 할 설계 파라미터가 극수 및 슬롯수이다. 설계 목표 사양에 적합한 극수 및 슬롯수를 선정하기 위해 효율 및 전체 고조파 왜곡률(THD)를 고려하였다.
설계 목표 사양에 적합한 극수 및 슬롯수를 선정하기 위해 효율 및 전체 고조파 왜곡률(THD)를 고려하였다. 사이클에 장착할 공간 및 저속 운전시 출력 밀도를 높이기 위해 이중 구조의 회전자를 선택하였으며, 회전속도와 다극에 알맞은 슬롯수를 고려하여 18슬롯으로 선정하였다.
본 설계는 장하 분배법을 이용하였으며, 이를 위해 먼저 선정되어야 할 설계 파라미터가 극수 및 슬롯수이다. 설계 목표 사양에 적합한 극수 및 슬롯수를 선정하기 위해 효율 및 전체 고조파 왜곡률(THD)를 고려하였다. 사이클에 장착할 공간 및 저속 운전시 출력 밀도를 높이기 위해 이중 구조의 회전자를 선택하였으며, 회전속도와 다극에 알맞은 슬롯수를 고려하여 18슬롯으로 선정하였다.
98로 계산된다. 설계과정은 크게 극수 및 슬롯수, 치수계산으로 나누어져 있으며 그림 1 설계절차에 맞추어 전개한 내용으로 슬롯의 점적률 및 철심 점적률 등의 선정에 대하여 제작시 일반적으로 적용되는 값을 선정하였다. 이상의 장하 분배법을 이용한 PMSM의 주요 치수는 아래의 표 2와 같다.
본 논문은 선수 훈련용 사이클(Cycle) 이중 공극 구조 방식 PMSM의 설계 및 특성을 해석하였다. 설계된 PMSM은 기동 및 초기 구동시 저속으로 운전되므로 해당 조건에서 토크의 최대화와 유기기전력의 고조파 저감을 위해 설계식 및 설계이론에 근거하여 극수 및 슬롯수를 선정하였으며, 장하분배법에 의해 PMSM의 치수를 산출하였다. 또한 토크 증가를 위해 이중 공극 구조의 형상 설계를 하였다.
L법에 의한 기초 설계를 수행한다. 설계된 전동기는 토크 및 출력을 높일 수 있도록 이중 구조의 회전자를 설계함으로써 일정 수준 이상의 출력을 확보할 수 있게 하였다. 또한 기동이 원활히 될 수 있도록 일반 구조의 전동기에 비해 토크를 증가시키기 위해 이중 회전자 적용하여 DG-PMSM (Dual-Gap Permanent Magnet Synchrous Motor)를 설계하였다.
설계식과 설계이론으로 선정된 18슬롯/16극을 기준으로 장하 분배법을 이용하여 PMSM을 설계하였다. 이를 위한 설계 목표 사양을 표 1에 정리하였으며, 설계 절차를 그림 1에 나타내었다.
또한 이중 공극 구조 형상을 고려함으로써 코깅토크가 작으며, 발전 전력량을 적절하게 유지하는 모델을 제시하였다. 유한요소해석법을 이용한 특성해석을 통해 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
최적의 극수, 슬롯수를 선정하기 위해 18슬롯/14극, 18슬롯/16극의 2가지 모델에 대해 효율 및 전체 고조파 왜곡률(THD)을 고려하기 위해 권선계수 값을 구하였다. 슬롯수가 18일 때 권선계수 및 THD특성은 16극이 가장 좋음을 확인할 수 있다.

대상 데이터

여기서 동작점을 고려하여 자속계수 km=0.5, 잔류자속밀도 Br=11424G를 선정하였다.

이론/모형

사이클용 PMSM의 설계를 위한 요구사양이 정해지면 이에 대한 대략적인 치수를 구하기 위해 일반적으로 장하분배법 또는 D2L법에 의한 기초 설계를 수행한다.

성능/효과

일반적으로 단일 공극 구조를 갖는 PMSM의 토크가 이중 공극 구조 보다 작다. 그 결과 기동 및 저속에서는 고토크가 필요한 사이클 부하 특성상 기존의 단일 공극 구조를 갖는 PMSM보다는 이중 공극 구조를 갖는 PMSM을 적용하는 것이 부하를 고려할 때 적절하다고 사료된다.
그림 8은 이중 공극 구조 PMSM 토크 및 출력특성을 보여준다. 또한 표 3은 기존 PMSM과 이중공극 구조 PMSM의 특성을 비교하였으며, 표에서 알 수 있듯이 정격출력 대비 기동 및 초기 구동시 토크가 단일 공극 구조 PMSM보다 저속 영역에서 2배 이상 측정되었으며, 부하는 고속운전시 보다는 저속 운전시 크게 되므로 사이클 부하에 적합한 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토크란 무엇인가?	훈련용 사이클 장치에 적용하기 위해 같은 사이즈에서 저속시 토크가 커야 하므로 단일공극 구조에서 고정자의 사이즈를 줄이고 영구자석 사용을 조금 증가시킴으로써 원가측면에서는 크게 차이가 없으며, 사이클 장치는 축방향 길이를 증가시켜 토크를 증가시키기에는 공간상의 제약이 있 다. 토크는 사이클 기동 및 구동에 중대한 영항을 미치는 설계시 고려해야할 중요 설계 인자이다[3-4].
	사이클용 영구자석형 동기전동기 설계를 위해 무엇을 수행하는가?	사이클용 PMSM의 설계를 위한 요구사양이 정해지면 이에 대한 대략적인 치수를 구하기 위해 일반적으로 장하분배법 또는 D2L법에 의한 기초 설계를 수행 한다. 설계된 전동기는 토크 및 출력을 높일 수 있도록 이중 구조의 회전자를 설계함으로써 일정 수준 이상의 출력을 확보할 수 있게 하였다.
	전동기의 역할은?	본 논문은 동력을 보조하기 위해 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하도록 하는 전동기 역할을 같이 수행할 수 있는 이중 공극 구조 영구자석형 동기전동기 설계에 관한 것이다. 또한 선수 훈련용 사이클 (Cycle)의 운동부하 조절을 위한 시스템에서 운전 중에 발생되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환 하도록 하는 장치로써 휴먼에너지의 신재생이 가능한 친환경적이며 출력밀도가 높은 발전기가 된다[1-2]

참고문헌 (9)

Haraguchi, H., Morimoto, S., Sanada, M, "Suitable design of a PMSG for a small-scale wind power generator", ICEMS International Conference, pp.1-6. November 2009.
W. Wu, V. S. Ramsden, T. Crawford, G. Hill, "A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive Permanent Magnet Generator For Wind Turbines", Vol 1, pp 147, October 2000.
Tae-Sung Kim, Sung-Chan Ahn, and Dong-Seok Hyu "A New Current Algorithm for Torque Ripple Reduction of BLDC Motros", IEEE Industrial Electronics Society, Vol. 2, pp. 1521-1526, February 2001.
K.S., R. Krishnan, "performance comparisons of radial and Axial Field, Permanent-Magnet, Brushless Machines", in Proceeding of IEEE Industry Applicationsm Vol.37, no. 5. pp 1219-1226, sept. 2001.

상세보기
J. R. Hedershot, TJE Miller, "Design of Brushless Permanent-Magnet Motors", pp 3-46, pp 137-138. Magn and Clarendon press, Oxford, 1994.
JAIME DE LA REE, NADY BOULES, "Torque Production in Permanent-Magnet Synchronous Motors", IEEE Trans on Industry Applications, VOL. 25, NO.1, January 1989.
Dae Cheon Gwang Kil, "Design of Ferrite Magnet Machine", pp 287.
C.C. Hwang, S.B. John, and S. S. Hanitsch R. E., Widyan M. S., Grune R., "Cogging Torque Reduction of a Novel Low-Speed High-Energy Permanent-Magnet Electrical Machine", SPEEDAM pp. 97-102, May 2006.
Z.Q. Zhu, David Howe, "Influence of Design Parameters on Cogging Torque in Permanent Magnet Machines" IEEE Transacions energy con-version, vol. 15, no. 4, December 2000.

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