[논문]슈퍼프리미엄(IE4)급 유도전동기 대체용 동기 릴럭턴스 전동기 고효율 설계연구

유광현; 이주

doi:10.5207/jieie.2015.29.11.035

슈퍼프리미엄(IE4)급 유도전동기 대체용 동기 릴럭턴스 전동기 고효율 설계연구
High Efficiency Design of Ie4 Class Synrm Subsituting for Induction Motor 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.11, 2015년, pp.35 - 40

유광현 (Electrical Engineering, Hanyang University) , 이주 (Electrical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

In accordance with global energy conservation policies such as MEPS (Minimum Energy Performance Standard), electric motor industry is moving to super-high-efficiency machines and research to develop IE4 (International Energy Efficiency Class 4) motors has been launched. In this situation, SynRM (Synchronous Reluctance Motor) has been attracting attention in place of induction motor which hardly provides super premium efficiency. As a result, much research on SynRM is being performed at home and abroad. Also, some products have already been appearing in the market. Compared to induction motor, SynRM has better efficiency per unit area and wider operating range. Although the utilization of control system in synchronous motor results in higher prices, we still need to concentrate on developments of SynRM so as to comply with the new policies. This study demonstrated the electromagnetic design methods of super premium SynRM while maintaining the frame of existing IE3 induction motor. We documented the design procedures for generating high saliency which is the most essential and mechanical stress anlaysis is also treated. In conclusion, we proved the validity of our design by manufacturing and testing our 3 models.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 실제 3가지 용량의 일반 프리미엄 유도기 사이즈를 조건으로 슈퍼 프리미엄급 SynRM의 설계 전반에 대해 다룬다. 회전자 자속장벽을 설정하고 돌극차와 돌극비를 극대화 할 수 있는 방안, 그리고 기계적인 강성을 만족시키는 모델을 제안하였다.
SynRM이 유도기를 대체하기 위해서는 위의 그림에서와 같이 슈퍼 프리미엄급 효율보다 높아야 한다. 본 논문은 3.7kW, 7.5kW, 15kW급 모터를 최적 설계하여 요구사양에 만족하는 전동기를 제안하였다.
본 논문은 유도기를 대체하기 위한 각 사이즈 별 동기형 릴럭턴스 전동기의 전반적인 설계법을 제안하였다. 토크와 역률을 위해 해석을 통해 돌극비가 가장 적절한 점을 찾아서 회전자 형상을 결정하였으며, 유한요소법을 이용하여 계산된 역기전력으로 권선 턴수를 결정하고 슬롯의 점적률을 제한하여 코일 직경을 결정하였다.

제안 방법

해석상으로 효율과 역률은 모두 목표치 보다 높게 나왔음을 확인할 수 있다. 따라서 실제 전동기를 제작하여 실험을 진행하였다.
만약 권선 설계만으로 목표 전류 밀도를 만족할 수 없다면 초기 결정한 슬롯의 면적을 조정한다. 마지막으로 목표 효율 또는 토크를 만족하지 못한다면 회전자와 고정자의 길이를 바꾸고 권선을 다시 설계한다.
이와 같이 주어진 요구 스펙에서 회전자를 전자장 해석을 통해 상세모델 설계를 진행하였다. 하지만 SynRM에는 자속장벽이 이루고 있는 부분이 많기 때문에 고속 회전시 립 부분의 강성이 약해져서 비산될 위험이 있다.
주어진 요구 스펙을 토대로 모터의 크기를 결정하고 고정자와 회전자의 직경, 슬롯 수와 슬롯 면적, 그리고 회전자의 형상을 결정한다. 회전자의 형상설계 시 각각의 변수를 설정하여 유한요소법으로 해석한다.
본 논문은 유도기를 대체하기 위한 각 사이즈 별 동기형 릴럭턴스 전동기의 전반적인 설계법을 제안하였다. 토크와 역률을 위해 해석을 통해 돌극비가 가장 적절한 점을 찾아서 회전자 형상을 결정하였으며, 유한요소법을 이용하여 계산된 역기전력으로 권선 턴수를 결정하고 슬롯의 점적률을 제한하여 코일 직경을 결정하였다.
표 1은 요구받은 각 출력에 따른 스펙을 정리해 놓은 표이다. 표에서 보이는바와 같이 정격효율과 역률의 목표치를 달성시킴으로써 유도기 대체 가능한 슈퍼 프리미엄급 SynRM을 설계한다.
본 논문에서는 실제 3가지 용량의 일반 프리미엄 유도기 사이즈를 조건으로 슈퍼 프리미엄급 SynRM의 설계 전반에 대해 다룬다. 회전자 자속장벽을 설정하고 돌극차와 돌극비를 극대화 할 수 있는 방안, 그리고 기계적인 강성을 만족시키는 모델을 제안하였다. 최종적으로 제작 및 시험결과를 제시한다.
주어진 요구 스펙을 토대로 모터의 크기를 결정하고 고정자와 회전자의 직경, 슬롯 수와 슬롯 면적, 그리고 회전자의 형상을 결정한다. 회전자의 형상설계 시 각각의 변수를 설정하여 유한요소법으로 해석한다. 각 변수는 자속장벽(barrier)의 수, kw비(자속장벽과 세그먼트와의 비), 각 자속장벽의 밑변 길이, 자속장벽의 각, 립(rib) 두께 브릿지(bridge)두께를 각 변수로 설정하였다[4-5].

대상 데이터

자속장벽은 개수가 6일 때가 가장 성능이 좋다. 하지만 자속장벽의 개수가 올라갈수록 자속장벽과 세그먼트가 얇아져서 양산시 금형의 가격 및 수명에 문제가 있을 수 있고 고속 회전시 기계적인 강성에 문제가 있을 수 있기 때문에 본 논문에서는 자속장벽수를 5개로 선정하였다.

성능/효과

37%가 나왔으므로 해석상으로 알아낸 효율보다도 높게 나왔다. 7.5kW와 3.7kW는 94.64%와 92.91%로 해석한 데이터보다는 낮게 나왔으나 목표효율 보다는 높게 나왔다는 것을 확인할 수 있었다. 목표효율이 높게 나온 것은 기계손 부분에 대한 오프셋 값이 기존 유도전동기 데이터를 참조하였는데 샘플 제작시 제작성이 좋아 양산시 보다 오차율이 줄어 든 것으로 판단된다.
각 사이즈별로 전동기 모델을 제작하고 시험을 통하여 목표 효율을 달성함으로써 제작된 동기 릴럭턴스 전동기가 유도전동기를 대체할 수 있는 슈퍼프리미엄급의 효율 이상을 달성하였다.
7kW의 전동기 해석값이다. 해석상으로 효율과 역률은 모두 목표치 보다 높게 나왔음을 확인할 수 있다. 따라서 실제 전동기를 제작하여 실험을 진행하였다.

후속연구

하지만 앞으로 회전자 강성 안전율의 여유가 있고 차등 자속장벽 적용 등 그리고 양산을 위한 회전자 금형문제등 추가적인 설계 방안이 남아 있다. 따라서 추후에는 위와 같은 사항 등을 고려하여 슈퍼 프리미엄급 SynRM을 재설계할 예정이다.
전동기의 최저효율제(MEPS)가 시행되면서 현재 고효율(IE2) 유도 전동기가 생산 및 판매되고 있으며 2016년 10월부터는 프리미엄급 유도전동기를 대기업의 경우 의무적으로 생산하고 판매해야 한다. 향 후 몇 년 안으로 프리미엄급(IE3) 유도기가 주를 이를 것이며 2020년경에는 슈퍼프리미엄급(IE4)의 전동기가 의무화될 예정이다. 이러한 흐름에서 기존 유도기의 프레임 사이즈를 만족하며 슈퍼프리미엄급을 설계하기는 제작 및 재료 설계기술의 한계가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SynRM란?	SynRM은 동기 릴럭턴스 전동기로서 구동을 위한 가변전압가변주파수(VVVF)의 벡터 인버터가 필수 적이나 가변속 범위가 넓고 응용분야가 넓기 때문에 부하의 빈번한 속도 변동이나 크기변동 대응측면 등 여러 가지 측면에서 산업 동력용으로 적합하다. 또한 SynRM은 구조적으로 회전자에 추가적인 다이케스팅 작업이 불필요하고 금형으로 프레스 가공하여 적층을 하기 때문에 장기적으로 양산단가를 낮출 수 있는 장점도 있다.
	SynRM의 장점은 무엇인가?	SynRM은 동기 릴럭턴스 전동기로서 구동을 위한 가변전압가변주파수(VVVF)의 벡터 인버터가 필수 적이나 가변속 범위가 넓고 응용분야가 넓기 때문에 부하의 빈번한 속도 변동이나 크기변동 대응측면 등 여러 가지 측면에서 산업 동력용으로 적합하다. 또한 SynRM은 구조적으로 회전자에 추가적인 다이케스팅 작업이 불필요하고 금형으로 프레스 가공하여 적층을 하기 때문에 장기적으로 양산단가를 낮출 수 있는 장점도 있다. 이러한 다양한 장점을 갖는 SynRM은 돌극차에 의한 릴럭턴스 토크를 이용하기 때문에 회전자의 형상설계가 매우 중요하다.
	축방향 성층형 회전자구조가 상용화 되지 못한 이유는 무엇인가?	회전자의 돌극차를 가장 크게 할 수 있는 방법은 과거 루마니아의 Ion boldea 교수가 제안한 축방향 성층형 회전자구조이다. 이러한 회전자 구조는 릴럭턴스 토크를 극대화 할 수 있으나 제작의 현실성이 떨어지고 기계적인 강성이 취약하여 현재 널리 상용화 되지는 못하였다. 일반적으로 돌극차 혹은 돌극비를 크게 하기 위해서는 멀티 자속장벽을 이용하여 설계하는 것이 기본이나 실제 멀티 자속장벽을 하게 되면 기계적인 강성에 취약해 지므로 기계적인 강성도 함께 고려하여 설계해야 한다[1-3].

참고문헌 (5)

ABB, IE4 synchronous reluctance motor and drive package Optimized cost of ownership for pump and fan applications (2012).
Huai-cong Liu, Ho-Jun Lee, Se-Young Oh, Gwang-Hyeon Ryu, Hyun-Seok Homg, Seung-Joo Kim, Ju Lee "Decrease torque ripple for super premium SynRM using barrier arrangement design" Electrical Machinery & Energy Conversion Systems Society Annual Spring Conference 2013.
I.Boldae "Reluctance Synchronous Machines and drives" pp. 46-47.
Masayuki Sanada "Torque Ripple Improvement for Synchronous Reluctance Motor Using an Asymmetric Flux Barrier Arrangement", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 40, NO. 4, JULY/AUGUST, pp. 1076-1082 2004.

상세보기
Kim, Won Ho "A Study on the Optima; Design Method of Synchronous Relustance Motor for the Hifg Torque and Power Factor" Dept. of Electrical Engineering The Graduate School Hanyang University Master's Thesis.

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