[논문]마그네틱 기어의 극수 변화에 따른 효율 및 손실 분석

김승현; 김동욱; 이도엽; 김찬승; 김용재

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.5.1023

초록
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직접 접촉 방식의 기계적인 결합을 사용하는 기어는 접촉 마찰로 인한 소음, 진동, 발열 등의 문제가 지속적으로 제기되어왔기 때문에, 비접촉 자기(magnetic)결합을 이용한 마그네틱 기어(magnetic gear)가 제안되었다. 마그네틱 기어에 대한 연구 중 동일한 기어비에서 극수에 따라 손실의 차이가 발생함을 확인하였으며, 철손과 영구자석 와류손이 극수에 따라 일정한 경향성을 보일 것으로 예상되어 연구를 진행하였다. 본 논문에서는 마그네틱 기어의 극수에 따른 경향성을 확인하고 구체화하여 마그네틱 기어의 효율 개선 설계의 기반을 마련하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical gears driven by direct contact have problems including noise, vibration and heat. In order to, solve these problems, magnetic gears having a non-contact magnetic coupling have been proposed. Through various studies on magnetic gears, we found that losses are changed when the number of mag...

Mechanical gears driven by direct contact have problems including noise, vibration and heat. In order to, solve these problems, magnetic gears having a non-contact magnetic coupling have been proposed. Through various studies on magnetic gears, we found that losses are changed when the number of magnetic poles varies in the same gear ratio. For this reason, research team expect the iron loss of the magnetic gear and the Eddy current loss of the permanent magnet will have a certain tendency depending on the number of poles. This paper identified the magnetic gear's loss tendency according to the number of poles, and laid the basis for efficiency improvement design.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. 기본모델형상 Fig. 1 Standard model shape
그림 그림 2. 6:1 기어비의 극수 변화 모델 Fig. 2 poles change model for 6:1 gear ratio
표 표 1. 각 기어비의 극수 변화 모델 Table 1. Poles change model for each gear ratio
그림 그림 3. 극수에 변화 따른 자석의 와류손 Fig. 3 Magcnetic loss according to ploles
그림 그림 4. 극수 변화에 따른 철손 Fig. 4 Iron loss according to number of ploles
그림 그림 5. 내측회전자 극수에 따른 총 손실 Fig.5 Total loss according to Inner ploles

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구실은 이러한 마그네틱 기어의 손실을 줄여 효율을 증가시키는 연구를 진행하던 중 기어비가 동일하지만 자석의 극수가 달라지면 기어의 효율이 변화함을 관찰하였다. 따라서 극수 변화에 따른 손실 및 효율의 경향성을 구체화하기 위해 본 논문에서는 유한요소해석법을 활용하여 다양한 기어비의 극수 변화에 따른 각 기어의 효율과 손실을 분석하였다.

제안 방법

3.2절과 3.3절을 통해 극수 변화에 따른 영구자석와류손과 철손의 경향성이 서로 다름을 확인하였다. 본 절에서는 두 손실을 동시에 고려한 결과를 그림 5에 나타냈다.
극수에 따른 마그네틱 기어의 손실을 비교를 위해 출력, 길이, 외경을 고정하고 극수를 늘려 설계했다.
표 1은 기어비 별 극수 변화를 나타내며 그림 2의 방법과 동일한 방식을 사용하였다. 기어의 내측회전자 극수를 2극에서 정수배로 증가시켜 10극까지의 모델을 선정하였다.
마그네틱 기어의 극수변화에 따른 손실 경향성을 확인하고 각 모델의 효율을 비교 분석하기 위하여 위 수식에 기반한 FEM 해석을 통해 와류손과 히스테리시스 손실을 시뮬레이션 하였다.
본 논문에서는 내·외측회전자극수에 따라 달라지는 마그네틱 기어의 특성에 초점을 맞추어, 철손과 와류손을 비교분석했다.

성능/효과

기어 설계과정에서 극수를 증가시킬수록 자석의 와류손이 저감되며 극수증가에 따라 기어비가 2:1인 기어는 동일한 기어비의 극수증가 모델 대비 최대 40배까지 감소하며 9:1인 기어는 동일한 기어비의 극수증가 모델 대비 최대 4배까지 감소하였다. 이는 자석의 와류손 감소를 위해서는 극수증가가 유리함을 시사한다.
따라서 본 모델에 한해서 총 극수를 40-55극 사이로 적용하는 것이 마그네틱 기어의 효율을 향상시키는데 유리하다. 타 모델에서는 본 논문의 분석방법을 참고하여 효율 최고 지점 설계를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
그렇지만, 극수에 따라 철손과 자석의 와류손의 경향이 다르므로 두 손실을 고려한 설계가 필요함을 시사한다. 본 논문에서 검토한 모델의 경우 내측 회전자극수가 6극 이하일 때 자석 와류손 대비 철손이 매우 낮아 손실경향이 영구자석 와류손 경향과 유사함을 알 수 있으며, 10극 이상일 때 철손 대비 와류손이 매우 낮아 손실경향이 철손경향과 유사함을 알 수 있다.
본 연구실은 이러한 마그네틱 기어의 손실을 줄여 효율을 증가시키는 연구를 진행하던 중 기어비가 동일하지만 자석의 극수가 달라지면 기어의 효율이 변화함을 관찰하였다. 따라서 극수 변화에 따른 손실 및 효율의 경향성을 구체화하기 위해 본 논문에서는 유한요소해석법을 활용하여 다양한 기어비의 극수 변화에 따른 각 기어의 효율과 손실을 분석하였다.
이를 내측회전자 극수가 아닌 영구자석의 총 극수로 나타내게 되면 40-55극 사이에서 최저 손실값을 가짐을 확인했다.
이는 자석의 와류손 감소를 위해서는 극수증가가 유리함을 시사한다. 철손은 기어비에 따라 최대 2배 이상 감소하며, 6극 이상에서는 극수증가에 따라 철손이 증가하는 경향성을 보였다. 마그네틱 기어에서 발생하는 철손과 자석의 와류손은 기기의 효율에 직접적인 영향을 미치므로, 두 손실이 최소가 되도록 설계하여야 한다.

후속연구

따라서 본 모델에 한해서 총 극수를 40-55극 사이로 적용하는 것이 마그네틱 기어의 효율을 향상시키는데 유리하다. 타 모델에서는 본 논문의 분석방법을 참고하여 효율 최고 지점 설계를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네틱 기어는 어떠한 손실이 발생하는가?	하지만 기존의 기어와 다른 동력전달 방식을 사용함에 따라 기기의 출력과 효율을 고려할 필요성이 있다. 마그네틱 기어는 기계식 기어와 달리 영구자석을 사용함으로써 자계에 의한 손실이 발생하며, 이러한 손실들은 기기의 효율에 악영향을 미친다.
	직접 접촉 방식의 기계적인 결합을 사용하는 기어는 어떠한 문제가 있는가?	직접 접촉 방식의 기계적인 결합을 사용하는 기어는 접촉 마찰로 인한 소음, 진동, 발열 등의 문제가 지속적으로 제기되어왔기 때문에, 비접촉 자기(magnetic)결합을 이용한 마그네틱 기어(magnetic gear)가 제안되었다. 마그네틱 기어에 대한 연구 중 동일한 기어비에서 극수에 따라 손실의 차이가 발생함을 확인하였으며, 철손과 영구자석 와류손이 극수에 따라 일정한 경향성을 보일 것으로 예상되어 연구를 진행하였다.
	마그네틱 기어가 기어파손의 염려가 적은 이유는 무엇인가?	마그네틱 기어는 자기적으로 결합되고 기계적으로 이격되어 있어 기존 기어에서 발생하던 접촉으로 인한 파손, 소음, 진동 문제에서 자유롭고 마찰로 발생하는 손실을 최소화할 수 있다. 그리고 외측회전자와 내측회전자의 독립적 운용이 가능하므로 둘 중 한쪽 회전자가 과부하로 인해 움직임이 고정되더라도 지속적인 회전이 가능해 과부하로 인한 기어파손의 염려가 적다[5-9].

참고문헌 (10)

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K. Lee, W. Cho, J. Back, and I. Choy, "Design and Verification of Disturbace Observer based Controller for Windturbine with Two Cooperative Generators," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 12, no. 2, 2017, pp. 301-308.
L. Shah, A. Cruden, and B. Williams, "A Variable Speed Magnetic Gear Box Using Contra-Rotating Input Shafts," IEEE Trans. Magnetics, vol. 47, no. 2, 2011, pp. 431-438.

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Y. Kim, J. Song, and G. Lee, "How to Acquire the Evidence Capability of Video Images Taken by Drone," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 13, no. 1, 2018, pp. 163-168.
K. Yoon, S. Lee, and Y. Han, S. Kim, "A Study on Flight Stabilization of Drones by Gyro Sensor and PID Control," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 12 no. 4, 2017, pp. 591-598.
K. Atallah, and D. Howe, "A Novel High-Performance Magnetic Gear," IEEE Trans. Magnetics, vol. 37, no. 4, 2001, pp. 2844-2846.

상세보기
H. M. Shin, J. H. Chang, "Analysis of Coaxial Magnetic Gear with Low Gear Ratios for Application in Counter Rotating Systems," J. of Magnetics, vol. 20, no. 2, 2015, pp. 186-192.

원문보기 상세보기
C. Kim, E. Park, S. Kim, and Y. Kim, "An Study on Pole Piece Shape for Improving Torque Ripple of Magnetic Gears," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 12, no. 6, 2017, pp. 1065-1070.

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