[논문]고추력과 속도특성의 향상을 위한 양측식 슬롯리스 영구자석 직선형 동기전동기의 정수 결정

장석명; 최지환; 박지훈; 이운호; 유대준; 성태현

고추력과 속도특성의 향상을 위한 양측식 슬롯리스 영구자석 직선형 동기전동기의 정수 결정
Determination of parameters of double-sided slotless PMLSM for improvement of thrust and speed performance 원문보기

장석명 (충남대학교) , 최지환 (충남대학교) , 박지훈 (충남대학교) , 이운호 (충남대학교) , 유대준 (청양대학) , 성태현 (전력연구원)

This paper deals with determination of parameters of permanent magnet linear synchronous machine(PMLSM) for high thrust and improvement of speed performance. To satisfy these characteristics, PMLSM with double-sided PM mover and slotless ring-winding stator is presented. And using multilaver method, this paper analyzes the electromagnetic field phenomena and estimates parameters such as back-EMF and thrust constant. These parameters are used to derive DC link voltage of voltage source inverter with space vector pulse width modulation(SVPWM) using a digital signal processor and encoder pulse signal. The DC link voltage is one of the most important factor for accurate design. It enables to determinate dynamic operating range of system. Hence, performance evaluation is performed through dynamic modeling. Finally, in this paper, dynamic characteristics according to DC link voltage are presented as experiment result.

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문제 정의

고추력과 속도특성의 향상을 위해 본 논문은 양측식영구자석 가동자와 슬롯리스 3상 권선 고정자를 갖는 직선형 동기전동기 (permanent magnet linear synchronous motor ; PMLSM)를 제시한다. 슬롯리스 형태로 인해 Detent force를 제거하여 속도특성을 향상 시켰으며 슬롯 리스 형태를 채택함에 따라 따라오게 되는 특성인 큰 자기적 공극으로 인한 추력감소를 상쇄시키고 요구 추력을 만족시키기 위해 양측식 영구자석 가동자 형태를 채택하였다.
본 절에서는 PMLSM의 설계를 위한 전자기 특성을 해석한다. 전자장 이론과 해석적 방법을 적용하여 PMLSM 각각의 영역에서의 벡터 자위와 자속밀도를 산출하고, 회로 정수인 고정자 권선의 쇄교자속, 역기전력 및 추력에 관련된 특성방정식을 도출하였다.
앞 절에서 정격추력과 정격속도를 만족하는 정수와 직류링크 전압의 도출에 의해 PMLSM 시스템의 최적 설계가 수행되었으며, 본 절에서는 제작된 PMLSM의 동특성을 평가하기위한 노력으로 직류링크전압에 따른 q축 전류와 가동자의 속도의 특성에 대한 실험적 결과를 제시한다. 그림 4는 기준속도 lm/s에서 각각의 직류링크 전압에 따른 q축 전류 특성과 양방향 가동자의 속도 특성을 보여준다.

제안 방법

슬롯리스 형태로 인해 Detent force를 제거하여 속도특성을 향상 시켰으며 슬롯 리스 형태를 채택함에 따라 따라오게 되는 특성인 큰 자기적 공극으로 인한 추력감소를 상쇄시키고 요구 추력을 만족시키기 위해 양측식 영구자석 가동자 형태를 채택하였다. [2] 시스템의 설계에 있어서 영구자석의 자화에의 한 전자계현상을 해석하기 위하여 공간 고조파법을 기본으로 한 다중충 특성해석법을 사용하였으며 전자계 특성을 해석함으로써 역기전력 상수, 추력 상수와 같은 정수를 도출하였다.
; PMLSM)를 제시한다. 슬롯리스 형태로 인해 Detent force를 제거하여 속도특성을 향상 시켰으며 슬롯 리스 형태를 채택함에 따라 따라오게 되는 특성인 큰 자기적 공극으로 인한 추력감소를 상쇄시키고 요구 추력을 만족시키기 위해 양측식 영구자석 가동자 형태를 채택하였다. [2] 시스템의 설계에 있어서 영구자석의 자화에의 한 전자계현상을 해석하기 위하여 공간 고조파법을 기본으로 한 다중충 특성해석법을 사용하였으며 전자계 특성을 해석함으로써 역기전력 상수, 추력 상수와 같은 정수를 도출하였다.
전자장 이론과 해석적 방법을 적용하여 PMLSM 각각의 영역에서의 벡터 자위와 자속밀도를 산출하고, 회로 정수인 고정자 권선의 쇄교자속, 역기전력 및 추력에 관련된 특성방정식을 도출하였다. 그림 1은 슬롯이 없는 철심형 3상 권선 고정자와 수직 자화를 갖는 영구자석 가동자의 설계와 해석을 위한 모델을 보여주고 있다.
결정된다. 직류링크전압에 따라 시스템의 구동 범위를 결정함으로써 정수와 직류링크전압을 사용한 제어 알고리즘을 통해 동특성 실험을 수행하고 본 논문의 결론으로 직류링크전압에 따른 인버터의 입력전류와 속도 특성 파형을 제시한다.

성능/효과

그림 2(a)와 (b)는 영구자석에 대한 자기 벡터퍼텐셜에 의한 역기전력파형과 역기전력에 의한 추력 파형을 각각 보여주고 있으며, 이론적 해석과 유한요소해석법, 실험에 의한 결과가 잘 일치됨을 확인할 수 있다.
필수적이다. [2] 본 논문에서는 다중충 특성해석법을 통한 전자장 해석으로 역기전력상수, 추력상수 등의 정수가 도출되었으며 공간벡터PWM의 스위칭 체계를 고려한 동특성 모델링과 설계과정에서 도출된 정수를 통해 시스템의 구동 범위를 결정하기 위한 요소인 직류링크전압이 도출되었다.
결과적으로 동특성 실험을 통해 직류링크전압에 따른 PMLSM 시스템의 속도특성을 확인함으로써 도출된 정수와 직류링크전압의 정당성을 확인할 수 있었다.

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