[논문]운동 에너지를 고려한 Flywheel Energy Storage System 설계와 진동 저감을 위한 3상 유도기의 슬롯수 산정에 관한 연구

류재호; 김희민; 이치우; 박관수; 정동욱

doi:10.4283/jkms.2017.27.1.001

초록
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플라이휠 에너지 저장 장치(Flywheel Energy Storage System, FESS)은 회전 운동 에너지를 저장하는 플라이휠 부분과 저장된 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전동기/발전기 부분으로 구성된다. 일반적으로 플라이휠의 회전축은 전동기 및 발전기의 회전축과 동축 일체형으로 연결되고, 이때 전동기 및 발전기의 전자기 토크특성에 따른 동특성 변화는 전체 플라이휠 에너지 저장 장치의 충방전 특성과 기계적인 출력에 영향을 미친다. 본 논문에서는 5[kWh] 급 플라이휠 에너지 저장 장치 용 3상 유도전동기의 설계방법과 회전자 슬롯 수 변화에 따른 토크리플 특성과 고조파 영향을 중점적으로 분석하였다. 먼저, 플라이휠 에너지 저장 장치의 용량과 관성 모멘트에 의한 회전운동에너지의 관계식으로부터 플라이휠 크기와 전동기의 회전자 크기를 산정하는 방법을 제안하였다. 또한 플라이휠 에너지 저장 장치의 회전축의 고속구동 조건을 반영하여, 고속운전 영역에서의 전동기 토크리플 저감을 위한 유도전동기 회전자 슬롯수를 선정하였다. 이로부터 본 논문에서는 전동기 회전축과 동축으로 구성된 플라이휠의 소음 진동을 줄이고 고효율 충방전 특성을 구현하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flywheel Energy Storage System (FESS) is composed by flywheel generating rotating potential energy and motor/generator set charging and discharging electric potential energy. The flywheel and motor/generator is connected by rotating shaft. And torque characteristics of motor/generator part can influ...

Flywheel Energy Storage System (FESS) is composed by flywheel generating rotating potential energy and motor/generator set charging and discharging electric potential energy. The flywheel and motor/generator is connected by rotating shaft. And torque characteristics of motor/generator part can influence charging and mechanical traits of FESS. This paper analyze about motor/generator design method of 5 [kWh] FESS and torque ripple, harmonic effects by change of slots. At First, this paper proposes a method to estimate the flywheel size and the rotor size of the motor from the the rotational kinetic energy by inertia of FESS. The number of induction motor rotor slots for torque ripple reduction in the high speed operation region is selected. This paper performs to reduce the noise and vibration of the flywheel composed of coaxial with motor/generator and flywheel and realize the high efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 플라이휠 에너지 저장 장치의 용량을 통해 회전 운동 방정식을 이용하여 플라이휠과 유도전동기의 크기를 산정 한 후, 플라이휠 에너지 저장 장치에 생기는 진동과 소음을 저감을 위해 유도기 회전자의 슬롯수 선정 방안에 대해 연구를 하였다. 특히 유도기의 슬롯의 개수를 선정하기 위해 총 슬롯 면적을 일정하게 한 후 비율에 따라 슬롯의 개수를 변화시켜 토크, 토크리플, 고조파분석을 하였다.
이로부터 본 논문에서는 전동기 회전축과 동축으로 구성된 플라이휠의 소음 · 진동을 줄여 고효율 충방전 특성의 플라이휠 에너지 저장 장치를 설계방안을 제안하였다.

제안 방법

공극의 자속 밀도에 대한 고조파 분석을 통하여 회전자 슬롯의 수에 따른 토크리플, 토크리플의 관계를 분석하였다. 즉 주파수가 클수록 토크리플은 낮아지게 되는데 정방향으로 회전하는 고조파는 회전자 속도가 고조파 동기속도보다 작을 때는 정방향 전동기 토크를 발생하지만 역방향으로 회전하는 고조파는 제동토크를 발생시킨다.
회전자의 슬롯의 형상은 같은 비율로 선정되어 있다. 그리고 10개의 슬롯에서 72개의 슬롯까지 슬롯을 2개씩 변화시키며 설계하였다. 총 슬롯의 면적은 2866.
따라서 본 논문에서는 플라이휠 에너지 저장 장치의 용량과 관성 모멘트에 의한 회전운동에너지의 관계식으로부터 플라이휠 크기와 전동기의 회전자 크기를 산정할 수 있다. 또한, 산정 되어진 모터/발전기의 회전자의 고속운전 회전 시 발생하는 토크리플을 저감하기 위해 회전자 슬롯수를 선정하였다.
따라서 본 논문에서는 플라이휠 에너지 저장 장치의 용량과 관성 모멘트에 의한 회전운동에너지의 관계식으로부터 플라이휠 크기와 전동기의 회전자 크기를 산정할 수 있다. 또한, 산정 되어진 모터/발전기의 회전자의 고속운전 회전 시 발생하는 토크리플을 저감하기 위해 회전자 슬롯수를 선정하였다. 이로부터 본 논문에서는 전동기 회전축과 동축으로 구성된 플라이휠의 소음 · 진동을 줄여 고효율 충방전 특성의 플라이휠 에너지 저장 장치를 설계방안을 제안하였다.
본 논문에서는 플라이휠 에너지 저장 장치의 용량을 통해 회전 운동 방정식을 이용하여 플라이휠과 유도전동기의 크기를 산정 한 후, 플라이휠 에너지 저장 장치에 생기는 진동과 소음을 저감을 위해 유도기 회전자의 슬롯수 선정 방안에 대해 연구를 하였다. 특히 유도기의 슬롯의 개수를 선정하기 위해 총 슬롯 면적을 일정하게 한 후 비율에 따라 슬롯의 개수를 변화시켜 토크, 토크리플, 고조파분석을 하였다. 슬롯수가 증가함에 따라 토크의 크기도 증가하게 되며, 가파르게 올라가는 첫 번째 지점과 완만한 두 번째 지점 그리고 거의 변화가 없는 세 번째 지점으로 크게 3구간으로 나누어 분석 가능하였다.

성능/효과

그러므로 같은 알루미늄의 양으로 필요한 슬롯수를 선정하고 토크 구간을 분석한 후 설계 사양에 부합하는 유도기를 설계 가능하다. 또한 공극 자속의 자속밀도에 분포에 의해 고정자와 회전자수 만큼 고조파가 생긴다는 것을 분석하였다. 그러므로 특정 주파수를 회피하여 설계를 하여 전체 플라이휠 에너지 저장 장치에 생기는 진동과 소음의 저감 설계가 가능하다.
특히 유도기의 슬롯의 개수를 선정하기 위해 총 슬롯 면적을 일정하게 한 후 비율에 따라 슬롯의 개수를 변화시켜 토크, 토크리플, 고조파분석을 하였다. 슬롯수가 증가함에 따라 토크의 크기도 증가하게 되며, 가파르게 올라가는 첫 번째 지점과 완만한 두 번째 지점 그리고 거의 변화가 없는 세 번째 지점으로 크게 3구간으로 나누어 분석 가능하였다. 그러므로 같은 알루미늄의 양으로 필요한 슬롯수를 선정하고 토크 구간을 분석한 후 설계 사양에 부합하는 유도기를 설계 가능하다.
슬롯의 수만큼 고조파가 크게 나오는 것을 알 수 있다. 즉 12슬롯에서 13차수 고조파가 크게 나오며 36, 52, 72 슬롯에서 그 근처에 고조파가 크게 올라 온 것을 확인할 수 있다. 그리고 고정자의 슬롯수 만큼 47차수 근처에서 하나의 고조파가 올라 와 있다.

후속연구

향후에는 이러한 연구를 바탕으로 회전자 뿐 아니라 고정자 슬롯 수에 따른 분석과 더불어 극 수가 다른 유도기에 대한 분석을 통해 최적의 모터 설계 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라이휠 에너지 저장 장치의 특징은 무엇인가?	플라이휠 에너지 저장 장치는 용량이 적은 단점을 가지지만 충전이 빠르고 에너지 밀도가 높은 장점을 가지며, 축전기식과 배터리식의 중간 정도인 짧은 방전시간을 가진다. 이러한 특징을 바탕으로 플라이휠 에너지 저장 장치는 전동차 또는 전기 자동차 등의 운송 수단 산업 분야에서 꾸준히 연구되어지고 있다.
	교토의정서 협약이 일으킨 영향은?	2 % 감축을 하기로 하였다. 이 협약은 이산화탄소를 줄이는 일환으로 전기, 수소 자동차등의 친환경 운송수단의 발전과 더불어 에너지 저장 시스템의 발전을 촉진하였다. 에너지 저장 수단에는 크게 축전기식 에너지 저장 장치와 배터리 에너지 저장 장치 그리고 플라이휠 에너지 저장 장치가 있다.
	에너지 저장 수단에는 무엇이 있는가?	이 협약은 이산화탄소를 줄이는 일환으로 전기, 수소 자동차등의 친환경 운송수단의 발전과 더불어 에너지 저장 시스템의 발전을 촉진하였다. 에너지 저장 수단에는 크게 축전기식 에너지 저장 장치와 배터리 에너지 저장 장치 그리고 플라이휠 에너지 저장 장치가 있다. 축전기식 에너지 저장 장치는 충전시간이 매우 짧은 장점을 가지지만, 초 단위의 매우 짧은 방전 시간과 좋지 않은 에너지 밀도 특성을 가진다.

참고문헌 (9)

Arthur L. E. Reis, Janaina G. Oliveira, and Francisco J. Gomes, 2014 11th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications (INDUSCON) (2014).
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Shahriar Sharifan, Seyyedmilad Ebrahimi, Ashknaz Oraee, and Hashem Oraee, 2015 Intl Aegean Conference on Electrical Machines & Power Electronics (ACEMP), 2015 Intl Conference on Optimization of Electrical & Electronic Equipment (OPTIM) & 2015 Intl Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems (ELECTROMOTION), 719 (2015).
C. Chan, Proceedings of the IEEE 90, 247 (2002).

상세보기
G. Wang, P. Wang, and X. Wang, 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS) (2016).
Hironori Kameno, Ryouichi Takahata, Atsushi Kubo, and Stefan Gachter, IEEE Trans. Appl. Supercon 9, 996 (2002).
B. Bolund, H. Bernhoff, and M. Leijon, Renewable and Sustainable Energy Reviews 11, 235 (2007).

상세보기
Mulukutlas. Sarma, Electric machine, Cengage Learning, Evanston (1994) pp. 360.
K.-W. Lee, D.-W. Jeong, and G.-S. Park, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers 64, 999 (2015).

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