[논문]권선계자형 자기 기어의 고 토크 리플 회전자에 대한 분석 및 개선

박의종; 김용재

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.2.259

권선계자형 자기 기어의 고 토크 리플 회전자에 대한 분석 및 개선
Torque Ripple Improving and Analysis of Coil-winding Rotor of Magnetic Gear 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.2, 2020년, pp.259 - 266

초록
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자기 기어는 기계식 기어와 동일하게 기어의 특성을 나타내면서 각 회전자가 접촉하지 않아 마찰에 의한 소음 및 발열, 유지보수문제에서 기계식 기어보다 유리하다. 또한 권선계자를 사용하는 회전자를 적용할 경우 기어의 출력조절은 물론, 기어비 및 위급상황에서 자체적인 구동차단까지 가능하여 자기 기어의 활용가능성은 무한하다. 하지만 권선계자를 사용할 경우 영구자석과 철심간의 흡인력에 의한 코깅토크가 나타나게 되고 이는 회전자의 진동을 유발하는 토크 리플성분의 증가로 이어진다. 따라서 본 논문에서는 권선계자를 사용하는 회전자의 토크 리플을 저감하기 위해 회전자의 다양한 형상을 분석하였으며, 자기 기어의 토크 리플을 저감하기 위한 최적의 형상을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Magnetic gears have the same characteristics as mechanical gears, and each rotor does not come in contact, which is advantageous over mechanical gears in friction noise, heat generation, and maintenance. In addition, when the rotor using the coil-winding is applied, it is possible to control the output of the gear as well as to cut off its own drive in the emergency situation and to change its gear ratio. So the application of the magnetic gear is infinite. However, when the coil-winding rotor is used, cogging torque due to the attraction force between the permanent magnet and the iron core appears, which leads to an increase in the torque ripple component causing the rotor vibration. Therefore, in this paper, various shapes of the coil-winding rotor are analyzed to reduce the torque ripple of the rotor, and the optimum shape for reducing the torque ripple of the magnetic gear is presented.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 동축 자기 기어의 기본모델 (a) 기본형, (b) 권선계자형 Fig. 1 Basic model of the coaxial magnetic gear (a) normal type, (b) coil-winding type
그림 그림 2. 기본모델의 토크 특성 Fig. 2 Torque characteristics of basic model
그림 그림 3. 권선계자 자기 기어의 특성 (a) 전류에 따른 특성, (b) 코일 턴 수에 따른 특성 Fig. 3 Characteristics of coaxial magnetic gear (a) depending on currents of coil-winding (b) depending on coil turns of coil-winding
그림 그림 4. 폴피스 브릿지 형상구조 Fig. 4 Structure of Pole piece bridge
그림 그림 5. 브릿지 두께에 따른 특성 (Ferrite) Fig. 5 Characteristics depending on bridge thickness (Ferrite)
그림 그림 6. 내측 공극 길이에 따른 특성 (Ferrite) Fig. 6 Characteristics depending on inner air gap (Ferrite)
그림 그림 7. 변경모델의 토크 특성 Fig. 7 Torque characteristics of changed basic model
그림 그림 8. 브릿지 두께에 따른 특성 (NdFeB) Fig. 8 Characteristics depending on bridge thickness (NdFeB)
그림 그림 9. 내측 공극 길이에 따른 특성 (NdFeB) Fig. 9 Characteristics depending on Inner air gap (NdFeB)
그림 그림 10. 내측 회전자 파라미터 Fig. 10 Parameter of inner rotor
그림 그림 11. 내측 회전자 형상에 따른 토크 특성 Fig. 11 Torque characteristics depending on inner rotor parameter
그림 그림 12. 내측 회전자 형상에 따른 리플특성 Fig. 12 Torque ripple characteristics depending on inner rotor parameter
그림 그림 13. 기본모델과 최적 모델 Fig. 13 Basic model and optimal model

AI 본문요약
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문제 정의

권선계자를 사용할 경우 영구자석과 권선계자의 철심 간에 흡인력이 발생하며 이는 기어의 회전 시 진동을 유발하는 코깅 토크의 원인으로 작용한다. 따라서 본논문에서는 권선계자형 동축 자기 기어의 코깅 토크를 저감하기 위한 연구를 수행하였으며 다양한 설계 파라미터에 대한 분석을 나타내었다.
철의 사용량이 증가 하기 때문에 영구자석과 철의 흡인력 증가가 토크 리플 상승으로 이어진다. 따라서 철의 사용량을 줄이기 위해 높은 자력의 영구자석 사용을 제안하였다.
본 논문은 자기 기어에 대해 풍력발전 시스템으로의 적용을 위한 연구 중에서 권선계자를 갖는 회전자 사용 시 나타나는 토크 리플 문제를 분석하고 최적 설계를 수행하였다. 초기 Ferrite 영구자석을 사용한 모델 분석에서는 Ferrite의 낮은 자력에 의한 권선계 자의 대형화로 인해 토크 리플이 평균 토크의 6배 수준임을 확인하였다.

제안 방법

하지만 매번 Slip에만 의존할 순 없으며 극단적인 조건뿐만 아니라 애매한 조건 즉, 풍속이나 풍향의 변화에 대처하기 위한 대응책이 필요하다. 기존의 자기 기어에서는 영구자석만을 사용했으나 본 연구그룹에 서는 권선계자를 사용한 동축 자기 기어를 제안하여 기어 자체적으로 능동적인 대처를 할 수 있게 하였다. 권선계자를 사용할 경우 영구자석과 권선계자의 철심 간에 흡인력이 발생하며 이는 기어의 회전 시 진동을 유발하는 코깅 토크의 원인으로 작용한다.
자기 기어는 영구자석의 극 수가 많고 서로 인접하여 붙은 형상을 가지기 때문에 영구자석의 가공은 채택하지 않는다. 따라서 내측 회전자의 형상 변경에 따라 토크 리플의 특성을 확인하였다. 파라미터는 그림 10에 나타내었다.
따라서 기본모델 사용 시 출력인 내측 회전자에서 큰 진동이 발생할 수 있음을 알 수있으며 기기의 손상까지 초래함에 따라 리플 저감 대책이 필요하다. 본 논문에서는 먼저 전원에 따른 토크및 토크 리플 관계를 확인했으며, 자기 기어의 각 구조변경을 통해 토크 리플에 영향을 미치는 요소를 분석한 후 각 요소를 융합하여 토크 리플 감소에 적합한 모델을 도출하였다.
토크 리플은 토크의 진동하는 정도를 나타내는 지표이다. 본 논문에서는 평균 토크 대비 토크의 최댓값과 최솟값 차이의 비율을 토크 리플로 나타낸다. 외측 회전자의 평균토크는 27.
앞에서 분석한 내용을 종합적으로 적용하여 실험계획법에 기반한 최적 설계를 수행하였다. 브릿지 (Bridge) 두께와 챔퍼링의 각 변수에 대하여 3인자 실험계획법을 수립한 후 Box-Behnken의 표면분석법을 통해 각 인자의 영향도를 분석하고 수식화 한다음 최적지점을 예측하여 최종 모델을 도출하였다. 그림 13은 기본모델과 최적 모델을 비교하여 나타내며 내측 회전자의 리플은 165%에서 8%로 95% 개선, 외측 회전자의 리플은 12%에서 7%로 43% 개선되었다.
앞에서 분석한 내용을 종합적으로 적용하여 실험계획법에 기반한 최적 설계를 수행하였다. 브릿지 (Bridge) 두께와 챔퍼링의 각 변수에 대하여 3인자 실험계획법을 수립한 후 Box-Behnken의 표면분석법을 통해 각 인자의 영향도를 분석하고 수식화 한다음 최적지점을 예측하여 최종 모델을 도출하였다.
초기 Ferrite 영구자석을 사용한 모델 분석에서는 Ferrite의 낮은 자력에 의한 권선계 자의 대형화로 인해 토크 리플이 평균 토크의 6배 수준임을 확인하였다. 자기 기어의 토크 리플 저감에 잘알려진 폴피스 브릿지를 적용하였으나 감소 효과가 없어 NdFeB 영구자석을 사용한 모델을 검토하였다. Ferrite 모델 대비 토크 리플 개선효과가 있어 자기 기어에서 권선계자형 회전자 사용시에는 높은 자력의 영구자석이 유리함을 도출하였다.
종합적으로 토크의 감소 폭과 토크 리플이 기본모델보다 현저하게 낮음을 확인할 수 있어 변경된 모델로 추가연구를 진행하였다.
추가적으로 내측 및 외측 공극을 조절하고 권선계자 치에 Chamfering을 적용한 분석을 통해 효과적인 토크 리플 저감효과를 확인하였다. 분석한 데이터를 바탕으로 실험계획법 기반의 표면분석법을 통해 각 인자의 영향도 분석 및 최적값을 추정한 결과 내측 회전자 리플은 95% 개선, 내측 회전자 리플은 43% 개선되어 각각 8%, 7%의 토크 리플을 나타내었다.
또한 밤에는 무용지물인 태양광 발전과는 달리 풍력자원이 유리한 지역에서는 지속적인 발전이 가능하기 때문에 활용 가능성이 높다[1]. 풍력발전에서 해결해야할 문제점은 시스템 구성부터 단지 조성 까지 다양하지만 본 논문에서는 시스템의 기계적인 부분에 집중하였다.
파라미터는 그림 10에 나타내었다. 호의 길이 A과 치의 높이 T에 대해 챔퍼링을 적용하였으며 챔퍼링 길이는 각각 5-20mm, 1-10mm로 분석하였다. 분석된 그래프는 그림 11, 12에 나타낸다.

대상 데이터

NdFeB 계열의 (1.28T) 영구자석을 적용하였으며 전체 외경도 200mm로 40mm 감소, 적층은 65mm로 15mm 감소한 모델을 설계하였다. 추가적으로 내측 회전자의 크기를 절반으로 줄였으며 이에 따라 전원 정보는 동일하지만 코일의 턴수는 110턴으로 53% 저감하였다.

성능/효과

자기 기어의 토크 리플 저감에 잘알려진 폴피스 브릿지를 적용하였으나 감소 효과가 없어 NdFeB 영구자석을 사용한 모델을 검토하였다. Ferrite 모델 대비 토크 리플 개선효과가 있어 자기 기어에서 권선계자형 회전자 사용시에는 높은 자력의 영구자석이 유리함을 도출하였다.
내측 공극을 조절할 경우 브릿지를 적용한 경우보다 토크 감소율을 낮고 토크 리플 개선은 높음을 알수 있다. 하지만 여전히 평균 토크 대비 수 배의 리플을 나타내고 있으며 참고논문 수준의 낮은 리플이 나타나지 않음에 따라 기본모델을 다시 점검해야 할 필요가 제기되었다.
제안한 모델의 기본 특성을 그림 7에 나타내었으며 브릿지 두께에 따른 특성은 그림 8에 나타내었다. 변경된 모델의 평균 토크는 기본모델과 동일 하며 내측 회전자의 토크 리플은 평균토크대비 1.6배 높으나 기본모델 대비 75% 감소한 수치이다. 또한 그림 9의 내측 공극에 따른 특성에서도 그래프상 20% 수준의 토크 리플까지 확인할 수 있다.
추가적으로 내측 및 외측 공극을 조절하고 권선계자 치에 Chamfering을 적용한 분석을 통해 효과적인 토크 리플 저감효과를 확인하였다. 분석한 데이터를 바탕으로 실험계획법 기반의 표면분석법을 통해 각 인자의 영향도 분석 및 최적값을 추정한 결과 내측 회전자 리플은 95% 개선, 내측 회전자 리플은 43% 개선되어 각각 8%, 7%의 토크 리플을 나타내었다. 따라서 권선계자형 자기 기어의 내측 회전자 토크 리플 개선에는 높은 자력의 영구자석을 사용해야 하며, 공극 및 치 형상에 대한 최적 설계가 효과적이다.
우리는 기본모델의 적합성에 대한 검토를 수행했으며 Ferrite 영구자석을 사용하는 자기 기어에는 권선 계자가 부적합함을 결론 냈다. 이에 대한 근거로는 Ferrite 영구자석의 약한 자력을 보상하기 위해 권선 계자 회전자의 크기 상승이 있다.
본 논문은 자기 기어에 대해 풍력발전 시스템으로의 적용을 위한 연구 중에서 권선계자를 갖는 회전자 사용 시 나타나는 토크 리플 문제를 분석하고 최적 설계를 수행하였다. 초기 Ferrite 영구자석을 사용한 모델 분석에서는 Ferrite의 낮은 자력에 의한 권선계 자의 대형화로 인해 토크 리플이 평균 토크의 6배 수준임을 확인하였다. 자기 기어의 토크 리플 저감에 잘알려진 폴피스 브릿지를 적용하였으나 감소 효과가 없어 NdFeB 영구자석을 사용한 모델을 검토하였다.
28T) 영구자석을 적용하였으며 전체 외경도 200mm로 40mm 감소, 적층은 65mm로 15mm 감소한 모델을 설계하였다. 추가적으로 내측 회전자의 크기를 절반으로 줄였으며 이에 따라 전원 정보는 동일하지만 코일의 턴수는 110턴으로 53% 저감하였다. 제안한 모델의 기본 특성을 그림 7에 나타내었으며 브릿지 두께에 따른 특성은 그림 8에 나타내었다.

후속연구

따라서 권선계자형 자기 기어의 내측 회전자 토크 리플 개선에는 높은 자력의 영구자석을 사용해야 하며, 공극 및 치 형상에 대한 최적 설계가 효과적이다. 아울러 본 연구는 권선계자형 동축 자기 기어와 유사한 형상를 갖는 동축 자기 기어드 모터 및 버니어 머신에도 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기어박스란?	기어박스는 마찰에 의한 톱니바퀴의 마모, 파손, 소음 등 잘 알려진 문제와 윤활유에 의한 화재 등 주기 적인 유지보수가 필수인 장치이다[5]. 이와같은 문제 들은 기어의 각 톱니바퀴가 직접적인 접촉을 통해 동력을 전달하기 때문에 나타난다.
	본논문에서 권선계자형 동축 자기 기어의 코깅 토크를 저감하기 위한 연구를 수행하였으며 다양한 설계 파라미터에 대한 분석을 나타낸 이유는 무엇인가?	기존의 자기 기어에서는 영구자석만을 사용했으나 본 연구그룹에 서는 권선계자를 사용한 동축 자기 기어를 제안하여 기어 자체적으로 능동적인 대처를 할 수 있게 하였다. 권선계자를 사용할 경우 영구자석과 권선계자의 철심 간에 흡인력이 발생하며 이는 기어의 회전 시 진동을 유발하는 코깅 토크의 원인으로 작용한다. 따라서 본논문에서는 권선계자형 동축 자기 기어의 코깅 토크를 저감하기 위한 연구를 수행하였으며 다양한 설계 파라미터에 대한 분석을 나타내었다.
	자기 기어가 기계식 기어보다 유리한점은?	자기 기어는 기계식 기어와 동일하게 기어의 특성을 나타내면서 각 회전자가 접촉하지 않아 마찰에 의한 소음 및 발열, 유지보수문제에서 기계식 기어보다 유리하다. 또한 권선계자를 사용하는 회전자를 적용할 경우 기어의 출력조절은 물론, 기어비 및 위급상황에서 자체적인 구동차단까지 가능하여 자기 기어의 활용가능성은 무한하다.

참고문헌 (11)

J. Woo, M. Suh, and J. Lee, "Study on Economic Evaluation of Solar Power Plant and Real Estate Asset Management Revenues," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 3, June 2018, pp. 633-642.

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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 Sciences, vol. 12, no. 6, Dec. 2017, pp. 1065-1070.

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E. Park, C. Kim, S. Jung, and Y. Kim, "Analysis of Torque Characteristics according to Non-uniform Air Gaps of Coaxial Magnetic Gear," J. of Magnetics, vol. 23, no. 4, 2018, pp. 675-679.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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