[논문]고온초전도 동기모터의 계자코일 단부의 영향

백승규; 권운식; 손명환; 이언용; 권영길

[국내논문] 고온초전도 동기모터의 계자코일 단부의 영향
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백승규 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 권운식 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 손명환 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 이언용 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹) , 권영길 (한국전기연구원 초전도응용연구그룹)

The superconducting synchronous machine(S.S.M) including generator and motor has different electromagnetic structure from the conventional machine. With the help of superconductor having much higher operating current density than normal conductor, S.S.M can eliminate most of iron core filling inside of the conventional machine. This air-cored structure could be analysed and designed theoretically based on 2-dimensional(2-D) magnetic field distribution assuming that the windings are extended infinitely toward the axial direction. However the actual structure of S.S.M has the end regions interconnecting the straight parts of the same cross-section with the 2-D model. Therefore, this actual 3-D model has smaller field distribution than the 2-D model. In this paper, we consider the effect of the end regions on the output of a HTS model motor and suggest more accurate design approach through comparison of 2-D and 3-D magnetic field analysis.

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문제 정의

본 논문에서는 모델 시험기로 제작하고자 하는 100 마력급 고온초전도 모터를 먼저 2차원 해석이론을 바탕으로 설계한 후, 3차원적인 자장해석과 2차원적인 해석 결과를 상호 비교하여 기기의 출력에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 이를 더욱더 정확한 출력을 얻을 수 있도록 기기를 설계하는데 이용하고자 한다.
출력에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 이를 더욱더 정확한 출력을 얻을 수 있도록 기기를 설계하는데 이용하고자 한다.

제안 방법

테이프 형태의 BSCCO-2223 고온초전도 선재를 사용하여 설계 프로그램에서 계산된 결과에 따라 한극당 1075 턴씩 배치시켰다. Fig.
외경 0222(mm) ~ 0264〔mm) 안에 테이프 형태의 고온초전도 도체를 배치한다. 2차원 이론적 방법에 따른 설계 프로그램에서 계산한 계자코일의축방향 직선부길이는 250〔mm〕였으며, 단부에서는 반원형으로 구성하여 레이스트랙의 형태를 띠도록 1차적으로 설계하였다. Fig.
비선형의 B-H 곡선을 갖는 철심은 기기의 최외각인 기계실드 (Machine Shield)에만 존재하고, 그 외의 기기 내부는 모두 공기와 같은 투자율을 갖는 공 심형의 구조이다. 이 모델을 기본으로 하여 2차원 유한요소해석 (FEM) 을 해보기로 한다.
그리고, 동기 모터의 경우 발생 토오크는 전기자 주자속과 계자의 주자 속이 이루는 각도에 따라 변하기 때문에, 전기자에 인가되는 3상 교류의 위상을 변화시켜서 자속이 이루는 각도를 변화시켰다. 이에 따른 해석 결과를 그림 4에 보인다.
앞의 2차원 해석 결과와 비교하기 위해서 3차원적으로 기기를 모델링 한다. 레이스트랙형의계자코일을 이루는 4개의 더블-팬케이크들의 축 应향 직선부 길이가 2차원 해석 시의 토오크 계산을 위한 축 방향 길이와 같도록 250〔mm〕으로 모두 동일하게 하였기 때문에, 계자코일의 축 방향 단부의 형상은 반원형으로 감겨진 코일부가 계단식으로 적층되는 형상을 띄고 있다.
계자코일에 동작전류를 인가하였을 때, 기기의 출력과 직접적으로 관련이 되는 Br 성분을 전기자 중심부인 반경 R힌甘“ 에서 계자코일의 축방향 중심부를 원점으로 하여 Z-axis 방향으로 계산하였다. Fig.
또한, 2차원 해석 시에는 계자코일의 직선부 구간만으로도 원하는 정격출력을 얻을 수 있었으나, 이와 비교하여 3차원 해석 결과를 볼 때 계자코일의 단부 구간에서도 Br 성분이 상당히 존재하므로 이에 따른 출력의 여유분이 존재함을 알 수 있다. 이러한 출력의 여유분이 어느 정도 되는지 알아보기 위해서, Fig.6 의 3차원 해석 결과를 두 구간으로 나누어 선형화하여 보았다. 첫 번째 구간은 계자코일의 축 방향 중심부 위치에서 레이스 트랙의 직선부가 끝나는 위치이며, 두 번째 구간은 레이스 트랙의 직선 부가 끝나는 위치에서 반원형의 단부가 축 방향으로 끝나는 지점 의전 기자 중심부에서의 Br값을 연결하여 선형화하였다.
6 의 3차원 해석 결과를 두 구간으로 나누어 선형화하여 보았다. 첫 번째 구간은 계자코일의 축 방향 중심부 위치에서 레이스 트랙의 직선부가 끝나는 위치이며, 두 번째 구간은 레이스 트랙의 직선 부가 끝나는 위치에서 반원형의 단부가 축 방향으로 끝나는 지점 의전 기자 중심부에서의 Br값을 연결하여 선형화하였다. 첫 번째 구간의 선형화된 자장의 평균값은 0.

대상 데이터

2 의 1점쇄선으로 구성된 계자코일의 권선 각과 이론적 해석으로부터 얻어진 계자코일의 내.외경 0222(mm) ~ 0264〔mm) 안에 테이프 형태의 고온초전도 도체를 배치한다. 2차원 이론적 방법에 따른 설계 프로그램에서 계산한 계자코일의축방향 직선부길이는 250〔mm〕였으며, 단부에서는 반원형으로 구성하여 레이스트랙의 형태를 띠도록 1차적으로 설계하였다.

성능/효과

거의 정현적으로 감소하였다. 이 결과에서 볼 수 있듯이 2차원 해석에 근거를 둔 이론적 설계는 계자코일의 축 방향 직선 부 길이만으로도 설계치 정격 출력을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 그러나, 2차원적인 해석은 축 방향으로 코일과 기계실드 등이 무한히 길게 뻗쳐져 있다고 가정한 것이기 때문에, 실제의 3차원적인 모델의 자장값보다 더 큰 값을 가지게 된다.
6 에서 보는 바와 같이 레이스 트랙형 계자코일의 직선 부에서 실선의 곡선으로 나타나는 3차원의 해석 결과가 2차원 해석 결과 보다 약간 작은 값을 가짐을 알 수 있다. 또한, 2차원 해석 시에는 계자코일의 직선부 구간만으로도 원하는 정격출력을 얻을 수 있었으나, 이와 비교하여 3차원 해석 결과를 볼 때 계자코일의 단부 구간에서도 Br 성분이 상당히 존재하므로 이에 따른 출력의 여유분이 존재함을 알 수 있다. 이러한 출력의 여유분이 어느 정도 되는지 알아보기 위해서, Fig.

후속연구

이러한 단부에서의 감소 요인을 고려해 볼 때 충분한 기기 출력을 얻기 위해서는, 2차원 해석 시 원하는 출력이 얻어지는 축방향 길이만큼계자코일의 직선 부를 설정해주는 것이 바람직할 것으로 고려된다. 또한 더욱더 정확한 설계를 위해서는 본 논문에서와같이, 계자코일의 단부에 의한 영향과 직선 부에 의한 영향을 모두 고려하여 정확한 출력치가 나오도록 기기의 형상이나 설계 변수들을 조정하는 것이 바람직할 것으로 여겨진다.

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