[논문]풍력발전에 사용되는 소형 20 kW급 영구자석, 직접구동형 발전기의 개발

김동언; 정진화; 황진수; 류지윤; 김두훈

풍력발전에 사용되는 소형 20 kW급 영구자석, 직접구동형 발전기의 개발
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김동언 (포항풍력에너지 연구소, 포항공대) , 정진화 (포항풍력에너지 연구소, 포항공대) , 황진수 ((주) 유니슨) , 류지윤 ((주) 유니슨) , 김두훈 ((주) 유니슨)

포항풍력 에너지 연구소와 (주)유니슨은 에너지 관리공단의 지원으로 2002년부터 풍력발전기에 사용되는 직접구동형 발전기를 개발하고 있다. 개발되는 발전기의 특징으로는 증속을 위한 gearbox를 사용하지 않는 직접구동형이라는 것과, 영구자석을 사용하여 여자 하는 형식이라는 것이다. 이런 특징은 풍력발전에서 요구하는 주요 요구조건인 고효율, 고신뢰성을 만족시키기 위해서 매우 중요하다. 개발된 발전기는 32극을 가지고 있으며, 157.1 rpm에서 20 kW의 정격을 가지도록 설계 되었다. 이 보고에서는 이 발전기의 설계, 제작, 시험결과에 대하여 보고한다. *본 연구는 에너지 관리공단의 지원으로 수행되었음.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

여기에서는 발전기의 주요 parameter# 결정하는 각각의 근거에 대해서 논의하고 최종적인 magnetic geometry와 parameter에 대해서 기술한다.
이 보고서에서는 그 전단계로 20 kW 급의 영구자석형 발전기의 설계, 제작 및 시험에 관해서 기술한다. 이 영구자석형 발전기는 800 kW 급 본제품과 같은 magnetic topology를 가지고 있으며 800 kW 본 제품과 유사한 형태를 가지고 있으므로 이 20 kW의 개발 경험은 본제품 개발에 적용될 예정이다.

가설 설정

온도상승: 냉각방식은 Stator housing!- 공기로 냉각하는 것을 가정하였고 그떄의 Stator housing 표면에서의 열전달 계수는 약 h=60 W/K/m2 로 보았다[1]. 코일 내부의 수즌]/수평 방향의 열전달 계수 * slot 내부의 insulation에 의한 열저항 등을 [1]에서의 parameter를 기초로 lumped model로 계산하였다.

제안 방법

고정자 외경: 발전기 관련 개발 참여업체인 (주) 보국전기에서 보유증인 외형금형을 활용하기 위해서 초기 설계치에 가장 근접한 반경 250 mm 금형을 활용하는 것으로 하였다. 여기로부터 필요 고정자 내경은 # mm로결정되었다.
여기로부터 필요 고정자 내경은 # mm로결정되었다. 고정자# 요크의 두께는 자속이 너무 포화되지 않도록 하면서 구조적인 강도를 가질 수 있고 필요한 Ampere turn을 수용할 수 있는 수준으로 정하였다.
권선수: Slot당 감은 수는 lOOfilament-a- lOtum으로 묶어서 사용하였으며 모듄 pole들을 series로 연결하였다. 그 이유는 적절한 open loop voltage와 부하에 따론 부하전압 감소를 고려하고 앞에서 말한 단락전류에 의한 역자 장이 영구자석을 탈자 시키지 않는 조건을 충족시키도록 하였다.
연결하였다. 그 이유는 적절한 open loop voltage와 부하에 따론 부하전압 감소를 고려하고 앞에서 말한 단락전류에 의한 역자 장이 영구자석을 탈자 시키지 않는 조건을 충족시키도록 하였다.
적인 자기 공극이 작아지고 따라서 발전기 단락 사고 시에 발생되는 역자장으로 인해서 영구자석이 탈자 (demagnetization)°) 되는 사고가 발생할 수 있다. 두께를 정할 때는 이런 점도 함께 고려하여 단락사고 시에도 유기되는 고정자전류에 의해서 영구자석이 탈자되지 않도록 영구자석의 두께와 권선수를 결정하였다. 단락 사고 시에도 딸자되지 않기 위한 조건은 참고문헌 (5J에 상세히 기술되어 있다* 한편 영구자석의 폭은 arc fraction r (magnet width/pole Ditch)으로 부르는데, 자석의 폭에 따라서 # #이 심하게 변한다.
46 mm 정도이다. 또 stats#와 rotor사이의 alignment ermr와 fringe fieid에 의한 #과를 감소시키기 위해서 zotor의길이를 한쏙으로 3 mm 씩 길도록 설계하였다. 이런 차이들이 설계치에 미치는 영향은 충분히 작을 것으로 추정한다.
계수는 약 h=60 W/K/m2 로 보았다[1]. 코일 내부의 수즌]/수평 방향의 열전달 계수 * slot 내부의 insulation에 의한 열저항 등을 [1]에서의 parameter를 기초로 lumped model로 계산하였다. 그럴 경우 최대 코일의 온도상승은 stator hou#표면에서 약 50 K, stator core에서 약 4.

대상 데이터

Ohm 손실은 꿘선의 *R로 쉽게 계산되고 고정자에서의 철손은 참고문헌 [1] 을 참고하였다. 고정자는 S18을 사용하였으며 S18의 50Hz, L5T에서의 철손은 약 3.3W/kg 정도이다. 정격에서의 Ohm 손실온 약 1370 W정도로 계산되었으며 철손과 기타손실을 합하여 약 506 W정도의 손실이 있을 것으로 추정되었다.
공극: 자석과 고정자 내경의 간격은 1 mm를 사용하였다. 통상적으로 자극간격은 직경에 비례하며 대형의 경우 0.
제작된 발전기는 (주) 보국전기에서 자체 시험절차에 따라서 시험되었다. 고정자 전류에 따른 부하전압의 변화를 측정한 것이 그림5에 나타나 있다, 100% 회전수 일 때와 70% 회전수 일 때에 측정하였는데 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

이론/모형

loss와 와천류 손실이다. Ohm 손실은 꿘선의 *R로 쉽게 계산되고 고정자에서의 철손은 참고문헌 [1] 을 참고하였다. 고정자는 S18을 사용하였으며 S18의 50Hz, L5T에서의 철손은 약 3.

성능/효과

보여주었다고 할 수 있다. Thermal model ling을 더 다듬어서 이런 형태뿐만 아니라 범용의 발전기/회전기에 사용할 수 있도록 발전시킬 필요가 있음을 알 수 있었다.
0% 까지 줄일 수 았었다, 그러나 torque #을 더더욱 줄이고 유도전압예서의 고조파를 감소시키기 위하여 full skewing을 사용하였다. full skewing의 결과로 평균적인 toeue는 17% 감소하였지만 torque rip#을 #L0% 내로 줄일 수 있었으며 가장 큰 3차 고조파를 3%이하로 억제할 수 있었다. Skewing 하기 전과 하기 전의 위상에 따른 Uwque가 그림3에 나타나 있다.
0%의 설계치와 잘 일치한다. 또 정격전류에서 장시간 운전하였을 경우에 저항법으로 측정한 고정자 권선의 온도상승은 약 88 K를 나타내었고 이것은 계산에 의한 추정값 75 K와 비교된다. 냉각계산은 실험적인 수치들이 많이 들어가기 때문에 정밀도가 떨어지는 것을 이해할 수 있다.
모델 발전기는 설계된 대부분의 특성을 보여주었고 따라서 동일한 설계절차가 800 kW 본제품에도 사용될 수 있음을 보여주었다고 할 수 있다. Thermal model ling을 더 다듬어서 이런 형태뿐만 아니라 범용의 발전기/회전기에 사용할 수 있도록 발전시킬 필요가 있음을 알 수 있었다.

후속연구

이 보고서에서는 그 전단계로 20 kW 급의 영구자석형 발전기의 설계, 제작 및 시험에 관해서 기술한다. 이 영구자석형 발전기는 800 kW 급 본제품과 같은 magnetic topology를 가지고 있으며 800 kW 본 제품과 유사한 형태를 가지고 있으므로 이 20 kW의 개발 경험은 본제품 개발에 적용될 예정이다.

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