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제안 방법
- 영구자석을 관리하고 조립하는데 편리하도록 magnet housing을 이용한다. 그림1에서 알 수 있듯이 지름방향인 원심력을 분산시키기 위해 영구자석 단면 을 쐐기 모양으로 만들었다. 영구자석과 housing 사이는 접착제로 보강하며 접착력은 350 kgf /cm2 이상이라지만, 접착력의 유효기간이 불분명해서 구조적인 안정성이 중요하다.
- 기어, 발전기, 인버터 효율과 발전기 보조전력(yawing, pitching 등)의 합으로 약 60 kW를 발전기 자체에서 충당하고, 인버터 효율(0.96) 을 감안해서 발전기 목표출력 2.0 MW 의 102 %인 2.04 MW 를 생산하도록 설계했다. 그래서 인버터로 전달되는 정격출력은 (2.
- 냉각효과를 높이기 위해 고정자 외각의 모든 면에 water jacket 형식으로 냉각수를 흐르도록 했다. 전체를 4개 circuit 로 구성되며 각 circuit 는 18개 직선 수로로 되어있다.
- 상용 프로그램인 ANSYS 를 이용해서 영구자석과 전기강판의 BH-table 을 적용한 비선형 계산으로 자기장, 인덕턴스, 토크, 열해석 등을 했다. 모델은 대칭성을 고려해서 회전자 두 pole 구간만을 계산했고 주기적인 boundary condition을 적용했다. 회전자 한 pole 구간을 60 등분해서 고정자와 회전자를 형상하고 회전자 운동은 영구자석의 물질특성만을 이동시켜서 회전운동 효과를 내서 계산했다.
- 발전기 손실, 냉각체계, 냉각방법 등을 고려해서 발전기로 들어오는 냉각수의 온도는 52도이고 발전기에서 나가는 냉각수 온도 는 58도로 계산된 결과[2] 에 따라 냉각수 온도를 58도로 발전기의 열해석을 했다. 이와 같은 조건하에서 계산 모델과 결과는 그 림3으로 코일의 최고 온도는 118도로 나타났다.
- 계통연결을 위해 인버터를 사용하고, 출력 전압은 600 Volt 수준이다. 발전기의 크기를 작게 하기 위해 1:72.28 기 어를 부착해서 육상으로 운반하는데 용이하게 설계했다. 기어비에 따라 회전자 속도가 커져서 영구자석을 회전자 속에 삽입하는 형태를 선택했다.
- 상용 프로그램인 ANSYS 를 이용해서 영구자석과 전기강판의 BH-table 을 적용한 비선형 계산으로 자기장, 인덕턴스, 토크, 열해석 등을 했다. 모델은 대칭성을 고려해서 회전자 두 pole 구간만을 계산했고 주기적인 boundary condition을 적용했다.
- 5 mm2 으로 하고 4가닥을 한 turn 으로 하고, 슬롯 모양은 작업성을 좋게 하기 위해 직사각형으로 했다. 영구자석은 성능과 가격 그리고 수급조건을 고려해서 NdFeB 성 분인 NEOMAX-38UH로 정했다. 이렇게 설계된 발전기는 외부 냉각장치까지 포함해서 지름이 1.
- 동기인덕턴스는 self 인덕턴스, mutual 인덕턴스, leakage 인덕턴스의 합이 최대인 값으로 했다. 인덕턴스 계산은 주로 ANSYS code 를 이용해서 계산했고, 이 결과에는 slot 과 air gap leakage 인덕턴스가 포함된 걸로 여기고 end winding leakage 인덕턴스토크 계산은 에너지를 U, 회전자 각도를 #라 할 때, 토크는 는 따로 계산해서 추가시켰다.
- 2D 계산에서 이렇게 회전자 각도를 변화시키며 계산한 결과를 합산하면 3D 효과도 낼 수 있다. 인덕턴스, 유도전압 파형, eddy current 효과에 의한 손실 등을 계산할 때 이 방법을 적용했다.
- 28) 조건에 따라 발전기의 pole pair수는 12이고 한 pole 에 3상의 slot 이 하나씩 있어서 Q=1 인 발전기가 되었다. 전기 회로 수도 12병렬로 해서 토크 균형을 잡았고 출력은 6병렬씩 짝을 이루어서 dual system 을 이루었다. 표 1은 주요 변수와 인버터 contr이되는 경우의 결과를 나타낸다.
- 회전자 pole pair 수는 12, Armature 회로는 12 병렬이고 인 버터 쪽으로 6병렬씩 dual 로 공급된다. 회전자 속도가 116 rpm 으로 영구자석에 미치는 원심력이 중력의 712배로 매우 커서 영구자석 삽입형 회전자로 설계했다. 전류의 주파수도 221 Hz 로 여러 손실을 크게 만드는 요소였다.
- 모델은 대칭성을 고려해서 회전자 두 pole 구간만을 계산했고 주기적인 boundary condition을 적용했다. 회전자 한 pole 구간을 60 등분해서 고정자와 회전자를 형상하고 회전자 운동은 영구자석의 물질특성만을 이동시켜서 회전운동 효과를 내서 계산했다. 2D 계산에서 이렇게 회전자 각도를 변화시키며 계산한 결과를 합산하면 3D 효과도 낼 수 있다.
대상 데이터
- 고정자는 포스코 전기강판 50PN290 을 사용한다. 모든 방향에서 자기적인 특성이 동일한 무방향성이며 대형 발전기 코어에 적합한 0.
- 발전기에서 영구자석:코일:철의 국내 가격비가 125:11:1 정도이므로 영구자석의 가격이 발전기 전체 가격에 크게 영향을 미친다. 선정된 영구자석은 NEOMAX- 38UH로 (typical) Remanence Br이 1.26 Tesla, Coercivity Hc 가 955 kA/m (12 kOersted), 온도 상수는 0.1% per degree, working temperature는 180도 이하이다. 영구자석의 원심력이 중력에 비해 712배에 달하므로 회전자 표면에서 3 mm 깊이에 영구자석을 삽입하는 형태를 취한다.
- 회전자도 철손을 약간 줄이고 양산품 제작 편의를 위해 laminated steel 을 사용한다. 회전자 철판은 50PN510 (S14C) 전기강판을 사용한다. 50PN290 에 비해 철손이 약간 더 크지만 가격이 저렴해서 일반적으로 많이 사용된다.
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