본 논문은 전기철도 추진용 유도전동기 최적 설계에 관한 논문이다. 먼저 유도전동기의 등가회로 특성을 이용한 기초 설계 프로세스를 통해 기본 모델을 산정하여 목표 성능을 만족하도록 하였다. 그리고 회전자 슬롯수 및 공극 길이를 토크, 토크 리플, 효율, 역률 특성을 비교 분석하여 결정하였다. 그 다음으로 반응표면법을 이용하여 회전자 슬롯 형상을 최적화하였다. 최종적으로 이러한 과정으로 도출한 최종모델이 등가회로와 유한요소해석 결과를 통해 목표 성능을 만족하고 효율이 기본 모델 대비 향상된 것을 확인하였다.
본 논문은 전기철도 추진용 유도전동기 최적 설계에 관한 논문이다. 먼저 유도전동기의 등가회로 특성을 이용한 기초 설계 프로세스를 통해 기본 모델을 산정하여 목표 성능을 만족하도록 하였다. 그리고 회전자 슬롯수 및 공극 길이를 토크, 토크 리플, 효율, 역률 특성을 비교 분석하여 결정하였다. 그 다음으로 반응표면법을 이용하여 회전자 슬롯 형상을 최적화하였다. 최종적으로 이러한 과정으로 도출한 최종모델이 등가회로와 유한요소해석 결과를 통해 목표 성능을 만족하고 효율이 기본 모델 대비 향상된 것을 확인하였다.
This paper will describe the optimal design of an induction motor for the propulsion of an electric railway. First, the design requirements are satisfied through the basic model, which is designed in a design process using the equivalent circuit. Then, Rotor slot and Airgap are determined by analysi...
This paper will describe the optimal design of an induction motor for the propulsion of an electric railway. First, the design requirements are satisfied through the basic model, which is designed in a design process using the equivalent circuit. Then, Rotor slot and Airgap are determined by analysis and comparison of torque, torque ripple, efficiency, and power factor. In addition, Rotor slot shape is optimized by using the response surface method. Finally, through the results of equivalent circuit and FEA, the final model is found to satisfy the design requirements; its efficiency was far higher than that of the basic model.
This paper will describe the optimal design of an induction motor for the propulsion of an electric railway. First, the design requirements are satisfied through the basic model, which is designed in a design process using the equivalent circuit. Then, Rotor slot and Airgap are determined by analysis and comparison of torque, torque ripple, efficiency, and power factor. In addition, Rotor slot shape is optimized by using the response surface method. Finally, through the results of equivalent circuit and FEA, the final model is found to satisfy the design requirements; its efficiency was far higher than that of the basic model.
일반적으로 철도차량용 전동기의 경우, 용량이 200kW 이상의 큰 용량을 요구한다. 하지만, 제작비용 및 시험평가의 제한 등의 요인으로 본 논문에서는 축소모델인 20kW 급 유도전동기 최적 설계에 대해 서술한다.
제안 방법
그리고 회전자 슬롯수 및 공극 길이에 따라 토크, 토크 리플, 효율, 역률 특성 및 경향성을 분석하였고, 이를 바탕으로 회전자 슬롯수, 공극 길이를 결정하였다. 그 다음으로 회전자 형상 변수에 대해 반응표면법을 이용한 최적화를 진행하여 회전자 형상을 결정하였다. 최종 모델의 유한요소해석 결과를 보면, 요구 속도에서 부하조건을 만족시킨다.
먼저 유도전동기의 등가회로 특성을 이용한 기초 설계 프로세스를 통해 기본 모델을 산정하여 목표 성능 만족하도록 하였다. 그리고 회전자 슬롯수 및 공극 길이에 따라 토크, 토크 리플, 효율, 역률 특성 및 경향성을 분석하였고, 이를 바탕으로 회전자 슬롯수, 공극 길이를 결정하였다. 그 다음으로 회전자 형상 변수에 대해 반응표면법을 이용한 최적화를 진행하여 회전자 형상을 결정하였다.
본 논문에서는 전기철도 추진용 유도전동기 최적 설계에 대해서 서술하였다. 먼저 유도전동기의 등가회로 특성을 이용한 기초 설계 프로세스를 통해 기본 모델을 산정하여 목표 성능 만족하도록 하였다. 그리고 회전자 슬롯수 및 공극 길이에 따라 토크, 토크 리플, 효율, 역률 특성 및 경향성을 분석하였고, 이를 바탕으로 회전자 슬롯수, 공극 길이를 결정하였다.
성능/효과
최종 모델의 유한요소해석 결과를 보면, 요구 속도에서 부하조건을 만족시킨다. 또한, 1500rpm에서 효율이 85.1%에서 88.9%로 증가하였고, 6000rpm에서 92.22%에서 93.1%로 증가했음을 확인할 수 있다.
그 다음으로 회전자 형상 변수에 대해 반응표면법을 이용한 최적화를 진행하여 회전자 형상을 결정하였다. 최종 모델의 유한요소해석 결과를 보면, 요구 속도에서 부하조건을 만족시킨다. 또한, 1500rpm에서 효율이 85.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
매입형 영구자석 동기전동기의 특징은?
기존 철도차량 견인용 전동기는 전력용 반도체 및 제어 기술의 발달에 따라 직류전동기에서 유도전동기로 획기적인 발전을 이루었고, 최근 높은 에너지 밀도를 가지는 희토류계 영구자석이 개발되면서 유도전동기보다 효율과 출력밀도가 향상된 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)가 상당수 개발되었다. 이러한 IPMSM은 높은 효율과 약자속 제어를 통한 넓은 속도 가변 영역 특성을 갖는다[1]. 하지만, 희토류계 영구자석의 불안정한 공급 때문에 제작 단가가 낮고 고 신뢰성을 갖고 있는 유도전동기에 대한 관심이 증가하게 되었다.
유도전동기의 공극이 작을 때 단점은?
일반적으로 유도전동기의 공극이 작으면 역률이 증가하고 최대토크가 증가하는 장점이 있으나 운전 범위가 넓은 제어용 유도전동기의 경우 고조파 성분에 의해 철손 증가 및 전자기 소음 증가 등의 단점이 발생하므로 무조건 공극이 작은 것이 좋은것은 아니다. 기초 설계에서는 제작 가능한 최소 공극길이로 하여 진행하였으며 최적 설계를 통해 최적 공극 길이를 재설정한다.
운전 범위가 넓은 제어용 유도전동기의 경우 무조건 공극이 작은 것이 좋지 않은 이유는?
일반적으로 유도전동기의 공극이 작으면 역률이 증가하고 최대토크가 증가하는 장점이 있으나 운전 범위가 넓은 제어용 유도전동기의 경우 고조파 성분에 의해 철손 증가 및 전자기 소음 증가 등의 단점이 발생하므로 무조건 공극이 작은 것이 좋은것은 아니다. 기초 설계에서는 제작 가능한 최소 공극길이로 하여 진행하였으며 최적 설계를 통해 최적 공극 길이를 재설정한다.
참고문헌 (5)
G. Jeong, C.-B. Park, H.-W. Lee, S.-D. Lee, J. Lee (2016) A Study on the Design of a 130kW-class IPMSM for Propulsion of Tram-Train, Journal of the Korean Society for Railway, 19(4), pp. 427-435.
J. Lee, M. Kim, J. Lee (2010) A Study on the Design of Controller for Speed Control of the Induction Motor in the Train Propulsion System, Applied Physics Letters, Journal of the Korean Society for Railway, 13(2), pp.173-178.
I Boldea, S. A. Nasar (2001) The Induction Machine Handbook, CRCPress, pp. 555-586.
K.-W. Jeon, S.-C. Hahn (2011) Optimal Design of Induction Motor Rotor Slot Shape for Electric Vehicle by Response Surface Method, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 25(11), pp. 58-66.
G.-S. Choi, S.-C. Hahn (2010) Multiobjective Optimal Double-Layer PM Rotor Structure Design of IPMSM by Response Surface Method and Finite Element Method, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 24(6), pp. 123-130.
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