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기생 커패시턴스 변화 기반의 축 전압 저감 방법
Mitigation Method of Shaft Voltage Based on the Variation of Parasitic Capacitance 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.4, 2018년, pp.522 - 530  

임준혁 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National University) ,  박준규 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National University) ,  이승태 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National University) ,  정채림 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National University) ,  허진 (Dept. of Electrical Engineering, Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study proposes the mitigation method of shaft voltage by varying the parasitic capacitance. First, the shaft voltage explained. Second, the parasitic capacitances causing shaft voltage are analyzed respect to geometry of motor and windings. Then, the equivalent circuit is established to obtain ...

주제어

#Bearing protection   #Equivalent circuit   #Parasitic capacitance   #Shaft voltage  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 권선 형태의 변경을 통해 기생 커패시턴스 성분을 조정함으로써 기생 커패시턴스의 결합에 의해 발생하는 Frame-to-Shaft Voltage를 저감하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 일반 베어링을 그대로 사용하면서 설계 단계에서 추가적인 하드웨어나 복잡한 알고리즘없이 축 전압을 저감할 수 있다.
  • 본 논문에선 기생 커패시턴스를 조정하여 축 전압 저감 방법을 제안한다. 첫째로, 기생 커패시턴스 성분들은 모터의 형상을 고려하여 계산되었다.
  • 또한, Shaft end-to-end voltage는 불균일한 자속에 의해 축에 기전력(electro motive force)이 유도되어 발생한다[5],[9]. 본 연구에서는 기생 커패시턴스의 결합을 통해 축에 유도되는 Frame-to-shaft voltage의 해석 및 저감 방법에 대해 다룬다.

가설 설정

  • model, (b) Cws_m model.
  • 은 그림 5(c)와 같다. 엔드 권선의 경우 형태를 특정하기가 어렵기 때문에 동심원 형태의 원통형 커패시터로 가정하고 모델링하였고, 평판 사이의 거리는 커패시턴스가 최대가 되도록 중심으로부터 엔드 권선까지의 거리가 최소가 되는 길이를 기준으로 하였다. 이 때 Cewr은 다음과 같이 표현할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
베어링 고장의 원인은 무엇인가? 이에 따라 전동기의 내구성 및 신뢰성을 확보하여 전동기의 고장으로부터인적, 물적인 피해 방지에 대한 요구 역시 증가하고 있다[3],[4]. 특히 전동기의 고장 중 상당 비율이 베어링의 고장에서 발생하는데, 전동기에서 베어링 고장의 주요한 원인 중 하나는 축 전압(Shaft voltage)에 의한 베어링의 전식으로, 전식에 의한 고장은 장기간에 걸쳐 베어링의 특성을 악화시켜 소음과 진동을 증가시킨다. 따라서, 소음과 진동에 민감한 가전기기, 전기 자동차 의료 및 방위 산업 등 일부 분야에서는 축 전압에 의한 베어링의 전식을 억제할 필요가 있다.
베어링의 전식으로 인해 나타날 수 있는 문제점은 무엇인가? 이에 따라 전동기의 내구성 및 신뢰성을 확보하여 전동기의 고장으로부터인적, 물적인 피해 방지에 대한 요구 역시 증가하고 있다[3],[4]. 특히 전동기의 고장 중 상당 비율이 베어링의 고장에서 발생하는데, 전동기에서 베어링 고장의 주요한 원인 중 하나는 축 전압(Shaft voltage)에 의한 베어링의 전식으로, 전식에 의한 고장은 장기간에 걸쳐 베어링의 특성을 악화시켜 소음과 진동을 증가시킨다. 따라서, 소음과 진동에 민감한 가전기기, 전기 자동차 의료 및 방위 산업 등 일부 분야에서는 축 전압에 의한 베어링의 전식을 억제할 필요가 있다.
베어링 보호를 통해 전동기의 수명을 향상시키기 위해서 축 전압 억제방법에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가? 베어링은 그림 1과 같이 외륜, 내륜, 그리고 볼로 구성되는데 모터가 회전 중일 때는 내부 구성 요소들 사이에 있는 윤활유로 인해서 베어링의 외륜과 내륜은 개방 회로와 같이 동작한다. 이때 그림 2와 같이 베어링의 윤활유가 버틸 수 있는 문턱전압 이상의 전압이 축에 유도되면 윤활유가 파괴되고 방전가공(electric discharge machining) 효과가 발생하여 베어링을 마모시킨다. 또한 방전가공효과에 의해서 윤활유의 파괴속도가 점진적으로 증가하고 윤활유가 파괴된 부분에서는 베어링의 외륜, 내륜 그리고 볼이 단락되는 부분이 생겨 베어링과 모터 프레임을 통해 순환전류가 흐르게 되고 결론적으로 베어링을 파손시킨다[5],[7],[9],[10]. 따라서 베어링 보호를 통해 전동기의 수명을 향상시키기 위해서 축 전압 억제방법에 대한 연구가 필요하다.
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참고문헌 (13)

  1. M. Kimiabeigi, J. D. Widmer, R. Long, Y. Gao, J. Goss, R. Martin, T. Lisle, J. M. Soler Vizan, A. Michaelides, and B. Mecrow, "High-performance low-cost electric motor for electric vehicles using ferrite magnets," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 1, Jan. 2016. 

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  2. W. Cao, B. C. Mecrow, G. J. Atkinson, J. W. Bennett, and D. J. Atkinson, "Overview of electric motor technologies used for more electric aircraft (MEA)," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 59, no. 9, Sep. 2012. 

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  3. J. K. Park and J. Hur, "Detection of inter-turn and dynamic eccentricity faults using stator current frequency pattern in IPM-type BLDC motors," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 3, Mar. 2016. 

  4. J. K. Park, C. L. Jeong, S. T. Lee, and J. Hur, "Early detection technique for stator winding inter-turn fault in BLDC motor using input impedance," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 51, no. 1, Jan./Feb. 2015. 

  5. R. Singleton II, E. Strangas, and S. Aviyente, "The use of bearing currents and vibrations in lifetime estimation of bearings," IEEE Trans. Ind. Inf., vol. 13, no. 3, Jun. 2017 

  6. V. Niskanen, A. Muetze, and J. Ahola, "Study on bearing impedance properties at several hundred kilohertz for different electric machine operating parameters," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 50, no. 5, Sep./Oct. 2014. 

  7. J. K. Park, T. Wellawatta, S. Choi, and J. Hur "Mitigation method of the shaft voltage according to parasitic capacitance of the PMSM," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 53, no. 5, Sep/Oct 2017. 

  8. A. Muetze and A. Binder, "Calculation of circulating bearing currents in machines of inverter-based drive systems," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 54, no. 2, Apr. 2007. 

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  9. U. T. Shami and H. Akagi, "Identification and discussion of the origin of a shaft end-to-end voltage in an inverter-driven motor," IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 6, pp. 1615-1625, JUN. 2010. 

    상세보기

  10. J. K. Park, T. Wellawatta, Z. Ullah, and J. Hur, "New equivalent circuit of the IPM-type BLDC motor for calculation of shaft voltage by considering electric and magnetic fields," IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 52, no. 5, Sep./Oct. 2016. 

  11. A. Muetze, and A. Binder "Don't lose your bearings," IEEE Ind. Appl. Magazine, vol. 12, no. 4, Jul/Aug. 2006. 

  12. A. Muetze and H. W. Oh "Design aspects of Conductive Microfiber Rings for Shaft-Grounding Purposes," IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 6, Apr. 2008. 

  13. J. Adabi, A. A. Boora, F. Zare, A. Nami, A. Ghosh, and F. Blaabjerg, "Common-mode voltage reduction in a motor drive system with a power factor correction," IET Power Electronics, vol. 5, no. 3. Aug. 2011. 

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