[논문]자기에너지 계산을 통한 고온초전도 모터의 역기전력 산정

백승규; 권영길; 김호민; 이언용; 이재득; 김영춘; 문태선; 박희주; 이치환; 권운식

[국내논문] 자기에너지 계산을 통한 고온초전도 모터의 역기전력 산정
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백승규 (한국전기연구원 초전도기기연구그룹) , 권영길 (한국전기연구원 초전도기기연구그룹) , 김호민 (한국전기연구원 초전도기기연구그룹) , 이언용 (한국전기연구원 초전도기기연구그룹) , 이재득 (한국전기연구원 초전도기기연구그룹) , 김영춘 (두산중공업 기술연구원) , 문태선 (두산중공업 기술연구원) , 박희주 (두산중공업 기술연구원) , 이치환 (두산중공업 기술연구원) , 권운식 (두산중공업 기술연구원)

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문제 정의

그러나 고정자 코일이 다이아몬드 형태로 3차원적으로 배치가 되기 때문에 계자의 자장에 의해 쇄교되는 자속량을 정확히 구하기가 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 코일에 의한 자기에너지를 3차원적으로 구하여 공심형의 구조를 갖는 초전도 동기기의 역기전력을 구하는 방법을 제안한다.
본 논문에서는 역기전력을 정확히 구하기 위해서는 3차원적인 자장해석이 필요한 초전도 동기기의 역기전력 산정 방법에 관한 것으로서 코일에 의해 저장되는 자기 에너지를 통한 방법을 소개하였다. 대부분의 회전기는 고정자 코일이 분포권의 형태툴 가지며, 특히 초전도 동기기는 코일의 단부에 의한 영향이 상당히 크므로 쇄교되는 자속을 계산하여 역기전력을 산정하는데는 상당히 어려움이 있다.

제안 방법

또한 동기기에서 발생되는 역기전력은 식 (4)와 같이 표시되므로 계자 코일과 고정자 코일 간의 상호 인덕턴스의 최대 값만 구할 수 있으면 그 값을 산정할 수 있다. 본 논문에서는 최외곽의 기계실드만 원통형의 철심인 초전도 모터를 3차원적으로 자장 해석하여 자기에너지를 구하고, 이를 통하여 계자 코일과 고정자 코일의 자기 인덕턴스를 식 (2)에 의하여 구하였다. 그리고 구해진 자기 인덕턴스를 식 (3)에 대입하여 계자 코일과 고정자 코일의 상호 인덕턴스의 최대값을 구하여 식 (4)에 의하여 역기전력을 산정하였다.
1 MW 고온초전도 모터의 고정자 코일을 모델링하여 고정자 코일과 계자 코일 간의 상호 인덕턴스의 최대 위치에 배치시킨 후 3차원 자장해석을 통하여 저장된 에너지를 구하여, 상호 인덕턴스 값을 산정하고 이를 이용하여 역기전력 값을 산정하고자 한다. 고정자 코일은 <Fig.
고정자 코일은 <Fig. 4>에서와 같은 형상으로 모델링하였고 설계된 정격전류 실효치와 동일한 직류 181.42 A를 여자시켜 고정자 코일 한 상의 자기인덕턴스를 구하였다. 고정자 코일 한 상만 여자하였을 경우에 해석 영역에 저장된 에너지는 3.
08 H이다. 고정자 코일과 계자 코일을 모두 여자하였을 때 해석영역에서의 저장에너지는 4331.4 J이고 저장된 총 에너지는 해석영역의 8배인 35,859 J이었으며 식 (3)을 이용하여 고정자 코일과 계자 코일의 상호 인덕턴스 최대치를 구하였다. 계산된 상호 인덕턴스의 최대값은 0.

대상 데이터

해석의 정확도를 검증하기 위하여 당 연구그룸에서 개발한 1 MW 급의 고온초전도 모터의 역기전력 실험 결과를 이용하였다. <Table 1>에 개발된 1 MW 급 고온초전도 모터의 사양을 보여주며, <Fig.

성능/효과

대부분의 회전기는 고정자 코일이 분포권의 형태툴 가지며, 특히 초전도 동기기는 코일의 단부에 의한 영향이 상당히 크므로 쇄교되는 자속을 계산하여 역기전력을 산정하는데는 상당히 어려움이 있다. 하지만 본 논문에서와 같이 자기 에너지는 쉽게 전자기적으로 계산이 가능하므로 본 논문에서 제시하는 방법이 공심형 구조의 초전도 동기기의 역기전력을 쉽고 빠르게 산정할 수 있는 방법이라 여겨진다.

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