[논문]비희토류 전동기의 효율 향상을 위한 Fan-shape type PMSM 설계 및 성능 분석

조수영; 안한웅; 함상환; 진창성; 이성구; 이주

doi:10.5370/kiee.2016.65.2.360

비희토류 전동기의 효율 향상을 위한 Fan-shape type PMSM 설계 및 성능 분석
Design of Fan-shape Type PMSM for Improving Efficiency of Non-rare Earth Motor 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.2, 2016년, pp.360 - 364

조수영 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University) , 안한웅 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University) , 함상환 (Dept. of Electrical and Railway Engineering, Kyungil University) , 진창성 (Defense Robot Team, Defense Business Unit, Hanwha Techwin) , 이성구 (Dept. of ICT Creative Design, Graduate school, Busan University of Foreign Studies) , 이주 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

The rare earth output is concentrated in limited number of countries including China. Also the necessity for development of non-rare earth motor is getting signified due to the rapid increase of rare earth price and resource weaponizing policies. Non-rare earth motor is generally designed as spoke type PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) in order to maximize the power density. Such spoke type PMSM has advantage in concentrating the flux but demonstrates lower efficiency compared to permanent magnet using Nd (Neodymium) permanent magnet. Therefore, applications with strong necessity for efficiency need rotor structure having improved efficiency compared to spoke type PMSM. Hence, this study suggested fan-shape type PMSM with somewhat lower power density but maximized efficiency. Fan-shape type PMSM is a rotor shape demonstrating outstanding reduction of iron loss compared to existing spoke type. Thus, this study analyzed the improvement of efficiency and reduction of loss arising from the suggested shape through parameter calculation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 Spoke type과 제안된 Fan-shape type 회전자 형상을 적용한 회전자 자기등가회로를 새롭게 구성하고 기초설계를 실시한다. 기초설계가 끝난 후에는 각 권선법 별 회전자 형상별로 4개의 모델을 도출하고, 이를 분석하여 최종 고효율이 가능한 모델을 제시한다.

제안 방법

고정자 설계는 2종류로 설계를 하여 비교 분석을 하였다. 권선 계수(k_w)는 54슬롯의 분포권의 경우 0.
또한 Spoke type은 영구자석 사용량을 최대로 가져가면 출력밀도를 극대화 할 수 있기 때문에, 안전율이 만족되는 조건 하에서 영구자석이 가질 수 있는 최대 가로×세로 길이를 기준으로 영구자석 크기를 결정하여 설계 하였다. 그리고 Fan-shape type은 최대토크를 낼 수 있는 철심의 크기를 기준으로 설계하였다.
본 논문에서는 기존 Spoke type과 제안된 Fan-shape type 회전자 형상을 적용한 회전자 자기등가회로를 새롭게 구성하고 기초설계를 실시한다. 기초설계가 끝난 후에는 각 권선법 별 회전자 형상별로 4개의 모델을 도출하고, 이를 분석하여 최종 고효율이 가능한 모델을 제시한다.
또한 Spoke type은 영구자석 사용량을 최대로 가져가면 출력밀도를 극대화 할 수 있기 때문에, 안전율이 만족되는 조건 하에서 영구자석이 가질 수 있는 최대 가로×세로 길이를 기준으로 영구자석 크기를 결정하여 설계 하였다.
4가지 모델의 파라미터 분석을 위해 무부하시와 부하시의 쇄교자속을 FEM(Finite Element Method)을 통해 구하였다. 또한 쇄교자속과 전류위상각을 이용하여 d축 인덕턴스(L_d)와 q축 인덕턴스(L_q)를 계산하였다. 위 과정을 통해 쇄교자속 (ψ_a, ψ₀), d축 인덕턴스(L_d), q축 인덕턴스(L_q), 마그네틱 토크(T_m) 및 릴럭턴스 토크(T_r)는 표 2와 같다.
또한, 고정자의 경우에는 치 집중권과 분포권 2가지 권선법을 이용하여 설계하였다.
이 논문은 회전자 등가회로를 이용하여 기초설계를 수행하였고, 제안된 Fan-shape type PMSM을 통해 고정자 및 회전자의 철손저감을 달성했다. 또한 고정자가 치 집중권일 경우에는 적은 동손가지기 때문에, Fan-shape type PMSM모델에 집중권으로 권선을 설계한다면 효율 극대화를 이룰 수 있다.
이 두 가지의 권선계수는 각각 다른 값을 지니지만 동일 기자력 조건을 만들어주기 위해 상당 직렬 턴 수와 인가전류를 동일하게 주었다. 회전자는 2장에서 도출된 기초설계모델에서 상세설계를 수행하였다. 또한 Spoke type은 영구자석 사용량을 최대로 가져가면 출력밀도를 극대화 할 수 있기 때문에, 안전율이 만족되는 조건 하에서 영구자석이 가질 수 있는 최대 가로×세로 길이를 기준으로 영구자석 크기를 결정하여 설계 하였다.

이론/모형

4가지 모델의 파라미터 분석을 위해 무부하시와 부하시의 쇄교자속을 FEM(Finite Element Method)을 통해 구하였다. 또한 쇄교자속과 전류위상각을 이용하여 d축 인덕턴스(L_d)와 q축 인덕턴스(L_q)를 계산하였다.

성능/효과

또한 치 집중 권의 경우에는 효율이 더욱 향상되는데, 이는 동일 기자력 대비 권선저항이 줄어들게 되기 때문이다. 따라서 가장 효율이 높은 전동기 타입은 치 집중권으로 구성된 6극 9슬롯 Fan-shape type의 전동기가 가장 효율이 높음을 알 수 있다.
표 1을 통해 제안된 Fan-shape type의 회전자 구조에서 철손이 크게 저감되고 효율 또한 향상됨을 알 수 있다. 또한 치 집중 권의 경우에는 효율이 더욱 향상되는데, 이는 동일 기자력 대비 권선저항이 줄어들게 되기 때문이다.
표 2를 토대로 하여 보면 Spoke type의 경우 d축 인덕턴스가 q축의 인덕턴스보다 작은 역돌극성을 지닌다는 것을 알 수 있고, Fan-shape type의 경우에는 d축 인덕턴스가 q축 인덕턴스보다 큰 돌극성을 지닌다는 것을 알 수 있다. 하지만 Fan-shape type 의 경우 d, q축 사이의 인덕턴스 차가 크지 않기 때문에 릴럭턴스 토크가 작다.
표 3은 고정자와 회전자의 철손 비중을 나타낸 표이다. 표 3을 통해 4가지 모델은 모두 회전자에서의 철손보다 고정자에서의 철손이 더욱 크게 발생됨을 알 수 있다. 또한 Fan-shape type의 경우 Spoke type에 비하여 철손이 크게 감소되는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과거의 철도차량 유도 전동기 운행 방식은?	과거의 철도차량은 유도전동기를 이용하여 V/F 제어를 통해 운행되어 왔다[1]. 하지만 유도기는 PMSM에 비해 상대적으로 낮은 효율과 무거운 중량으로 전동차의 에너지 소비 측면에서 불리하였다.
	유도기의 단점은?	과거의 철도차량은 유도전동기를 이용하여 V/F 제어를 통해 운행되어 왔다[1]. 하지만 유도기는 PMSM에 비해 상대적으로 낮은 효율과 무거운 중량으로 전동차의 에너지 소비 측면에서 불리하였다. 이로 인해 경전철 및 저상 트램에서는 에너지 소비 저감을 위해 PMSM을 점차 적용시키고 있다.
	치 집중권으로 구성된 6극 9슬롯 Fan-shape type의 전동기가 가장 효율이 높은 이유는?	표 1을 통해 제안된 Fan-shape type의 회전자 구조에서 철손이 크게 저감되고 효율 또한 향상됨을 알 수 있다. 또한 치 집중 권의 경우에는 효율이 더욱 향상되는데, 이는 동일 기자력 대비 권선저항이 줄어들게 되기 때문이다. 따라서 가장 효율이 높은 전동기 타입은 치 집중권으로 구성된 6극 9슬롯 Fan-shape type의 전동기가 가장 효율이 높음을 알 수 있다.

참고문헌 (5)

John L. Oldenkamp, Steven C. Peak, "Selection and Design of an Inverter-Driven Induction Motor for a Traction Drive System," IEEE Trans. Industry Applications, vol.IA-21, no. 1, January-February, 1985.
Hyung-Wook Kim, Kyung-Tea Kim, Yung-Sik Jo, Jin Hur, "Optimization Methods of Torque Density for Developing the Neodymium Free SPOKE-Type BLDC Motor," IEEE Trans. Magnetics, vol. 49, no. 5, pp. 2173-2176, May 2013.

상세보기
Dr. Duane Hanselman, "Brushless Motors: Magnetic Design, Performance, and Control," E-Man Press LLC, 3rd ed., pp. 63-114, July 2, 2012.
Hamza W. Derbas, Joshua M. Williams, Andreas C. Koenig, Steven D. Pekarek, "A Comparison of Nodaland Mesh-Based Magnetic Equivalent Circuit Models," IEEE Trans. Energy Conv., vol. 24, no. 2, pp. 388-396, June 2009.

상세보기
Abdul Rehman Tariq, Carlos E. Nino-Baron, Elias G. Strangas, "Iron and Magnet Losses and Torque Calculation of Interior Permanent Magnet Synchronous Machines Using Magnetic Equivalent Circuit," IEEE Trans. Magnetics., vol. 46, no. 12, pp. 4073-4080, December 2010.

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