[논문]토크리플을 줄이기 위한 외전형 유도전동기의 회전자 슬룻형상의 최적화

김경수; 차현록; 윤철호; 정태욱; 이규석

[국내논문] 토크리플을 줄이기 위한 외전형 유도전동기의 회전자 슬룻형상의 최적화
The Optimization Design of Rotor Slot shape In Outer-Rotor Type Induction Motor Reducing Torque-ripple 원문보기

김경수 (전남대학교 전기공학과, 한국생산기술연구원) , 차현록 (전남대학교 전기공학과, 한국생산기술연구원) , 윤철호 (전남대학교 전기공학과, 한국생산기술연구원) , 정태욱 (전남대학교 전기공학과, 한국생산기술연구원) , 이규석 (전남대학교 전기공학과, 한국생산기술연구원)

외전형 유도전동기 모터는 내전형에 비해 소형화 및 경량화 시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 회전자와 고정자간의 공극사이에 이심률이 있을 때, 불균형 모멘트로 인한 토크 리플이 내 전형보다 더 크게 일어나는 단점이 있다. 이러한 토크리플은 모터의 정속적인 운전을 방해시킬 뿐만 아니라 불규칙한 출력토크로 인한 작동상의 오류를 초래한다. 본 논문에서는 의전형 모터에서 이심률에 따른 불균형력이 최소화 될 수 있는 슬롯 형태에 대해서 연구하기 위해, 전폐형, 반폐형, 개구형태의 3가지 슬롯 형태에 대한 특성을 비교 하였다. 개구형의 경우 슬롯 누설 리액턴스가 낮아져 토크 형성율이 매우 높아 높은 토크를 발생시킬 것을 예상 하였지만, 토크 리플에 따른 출력 감소로 오히려 출력토크가 감소할 뿐만 아니라 이심률 증가에 따른 불균형력 또한 매우 컸다. 이에 비해 전폐형태의 슬롯은 누설리엑턴스의 영향으로 토크 형성 자체는 10% 정도 저감 되었으나, 이심률 증가에 따른 분균형력이 가장 적어 의전형 모터에 가장 적함한 형태임을 알 수 있었다.

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가설 설정

제조공정 상 만들어지는 정적인이심률의 증가는 불균형 모멘트와 불균형 자속밀도를 만들어 동적인 이심률 또한 증가시켜서, 토크-리플 및 소음을 유발할 뿐만 아니라, 심할 경우 모터의 고장을 초래하기도 한다[3]. 이심률에 대한 이해를 돕기 위해 그림 1.과 같은 이심률이 공극 사이에 존재한다고 가정하였다 [4]. 그림 2 에서 고정자와 회전자 사이에 수평 방향으로 존재하는 이심률을 6g로 표기하였다.

제안 방법

외전형 모터에서 이러한 문제를 줄이기 위해선, 설계의 변경이 어려운 고정자보다 변경이 쉬운 회전자 부분을 재설계 하는 방법이 있다, 우리는 회전자 설계의 여러 가지 방법 중에서 이심률이 존재 시 발생하는 토크리플을 최소화할 수 있는 최적화된 회전자 슬롯형상을 찾아보았다
우리는 이심률의 증가에 따른 모터의 출력 토크 및 토크 리플을 최대한 줄일 수 있는 회전자 슬롯형상을 찾기 위해 유한요소법을 사용한 시뮬레이션을 통한 그 값을 비교 분석하기로 하였다, 그림 2는 기존의 반폐형(Semi-Closed) 슬롯 형태를 가지는 외전형 모터의 로터 부분을 나타낸 그림이다, 기존의 반 폐형 슬롯을 가지는 모터를 기준으로 슬롯 형태를 전폐형 (TotaUy Closed) 및 개방형(Totally Open) 으로 변경하였을 때 나타나는 출력 토크 및 토크리플을 비교 분석할 뿐만 아니라 이심률이 클 때 가장 적합한 슬롯형태를 찾기로 하였다. 각 슬롯의 면 적은 일치시켰고, 바의 재질에 따라 모터의 특성이 달라질 수 있기 때문에 재질을 알루미늄으로 하였다.
각 슬롯의 면 적은 일치시켰고, 바의 재질에 따라 모터의 특성이 달라질 수 있기 때문에 재질을 알루미늄으로 하였다. 시뮬레이션 할 때 이심률은 0%부터 40%까지 각 10%씩 증가시키며 토크 리플 및 출력 토크를 비교하였다.
각 슬롯의 면 적은 일치시켰고, 바의 재질에 따라 모터의 특성이 달라질 수 있기 때문에 재질을 알루미늄으로 하였다. 시뮬레이션 할 때 이심률은 0%부터 40%까지 각 10%씩 증가시키며 토크 리플 및 출력 토크를 비교하였다. 시뮬레이션한 모터는 다음과 같은 특징을 따랐다 : 커패시터 기동형 단상 유도 전동기, 입력전압 230V, 주파수 60Hz, 4극, 1700rpm으로 회전, 입력전류 0.
먼저 이심률이 0%일 때, 회전자 슬롯형상에 따른 출력 토크를 비교해 보았다. 실제로 회전자 슬롯형상의 개방형은 다이캐스팅 공정상의 문제로 설계가 불가능 하지만, 여기서는 회전자 슬롯형상 변화가 출력 토크 및 토크 리플에 어떻게 영향을 주는지를 파악하기 위해 시뮬레이션 하였다.
비교해 보았다. 실제로 회전자 슬롯형상의 개방형은 다이캐스팅 공정상의 문제로 설계가 불가능 하지만, 여기서는 회전자 슬롯형상 변화가 출력 토크 및 토크 리플에 어떻게 영향을 주는지를 파악하기 위해 시뮬레이션 하였다. 표1은 시뮬레이션 후 나타난 출력 토크를 정리한 값이다.
우리는 회전자 슬롯 형상 변화를 통해 이심률 증가에 따른 가장 최적화된 슬롯형태를 찾아보았다. 회전자 슬롯의 면적 이 동일하다고 가정할 때, 슬롯 형태를 전폐형, 반폐형, 개구형으로 구별하였다.
가장 최적화된 슬롯형태를 찾아보았다. 회전자 슬롯의 면적 이 동일하다고 가정할 때, 슬롯 형태를 전폐형, 반폐형, 개구형으로 구별하였다. 이심률이 없을 때, 출력 토크는 반폐형이 가장 크고, 개구형이 가장 적었다.

대상 데이터

시뮬레이션 할 때 이심률은 0%부터 40%까지 각 10%씩 증가시키며 토크 리플 및 출력 토크를 비교하였다. 시뮬레이션한 모터는 다음과 같은 특징을 따랐다 : 커패시터 기동형 단상 유도 전동기, 입력전압 230V, 주파수 60Hz, 4극, 1700rpm으로 회전, 입력전류 0.51A, 고정자슬롯갯수 16개, 회전자 슬롯갯수 22개.

성능/효과

높은 출력 토크를 낼 거라 예상하였다. 하지만 시뮬레이션 결과 개구형은 토크리플이 반폐형에 비해 더 크게나타남으로서, 결국 출력 토크의 감소가 나타났다. 하지만 전폐형의 경우 슬롯 누설리액턴스가 증가하여, 기존의 반폐형 회전자 슬롯 형태를 가지는 모델보다 약 10% 출력토크가 저감함을 알 수 있었다.
하지만 시뮬레이션 결과 개구형은 토크리플이 반폐형에 비해 더 크게나타남으로서, 결국 출력 토크의 감소가 나타났다. 하지만 전폐형의 경우 슬롯 누설리액턴스가 증가하여, 기존의 반폐형 회전자 슬롯 형태를 가지는 모델보다 약 10% 출력토크가 저감함을 알 수 있었다. 이와 같이 동일한 슬롯 면적을 가지더라도, 슬롯 형태에 따라 출력 토크는 영향을 받는다는 사실을 알 수 있었다.
또한 그림3은 이심률아 40%인 경우 슬롯형사에 따른 토크리플 그래프를 나타내었다. 이 그래프에서 개 구형은 이심률 증가 시 출력 토크의 변화가 가장 작았지만, 토크 리플이 가장 커서 소음 및 진동면에서 가장 취약하다는 사실을 알 수 있었다. 전폐형은 비록 출력 토크는 반폐형보다 작지만, 이심률 증가시에 나타나는 출력 토크의 변화가 반 폐형보다 작아 산뢰성 있는 출력 토크를 낼 수 있을 뿐만 아니라, 토크 리플이 가장 작아 모터의 소음 및 진동을 줄일 수 있는 가장 최적화된 슬롯형태임을 알 수 있었다.
이 그래프에서 개 구형은 이심률 증가 시 출력 토크의 변화가 가장 작았지만, 토크 리플이 가장 커서 소음 및 진동면에서 가장 취약하다는 사실을 알 수 있었다. 전폐형은 비록 출력 토크는 반폐형보다 작지만, 이심률 증가시에 나타나는 출력 토크의 변화가 반 폐형보다 작아 산뢰성 있는 출력 토크를 낼 수 있을 뿐만 아니라, 토크 리플이 가장 작아 모터의 소음 및 진동을 줄일 수 있는 가장 최적화된 슬롯형태임을 알 수 있었다. 이와 같이 동일한 면적을 가지는 회전자 슬롯은 그 형태 변화에 따라 출력 토크 및 이심률 증가 시에 나타나는 토크 리플 특성에 큰 차이가 나타남을 알 수 있었다.
이는 이심률 증가 시 나타나는 불균형 모멘트가 출력토크에 영향을 줘서, 출력 토크 감소 및 토크 리플 증가를 가져왔다는 사실을 보여준다. 이심률이 증가함에 나타나는 출력 토크의 변화량을 비교 분석한 결과, 출력 토크의 변화량은 반폐형에서 가장 크고, 개구형이 가장 작음을 알 수 있었다. 하지만 토크리플 곡선에서 나타나듯, 전 폐형은 이심률이 증가함에 따라 토크리플이 가장 크게 증가하였고, 전폐형이 가장 적음을 알 수 있었다.
이심률이 증가함에 나타나는 출력 토크의 변화량을 비교 분석한 결과, 출력 토크의 변화량은 반폐형에서 가장 크고, 개구형이 가장 작음을 알 수 있었다. 하지만 토크리플 곡선에서 나타나듯, 전 폐형은 이심률이 증가함에 따라 토크리플이 가장 크게 증가하였고, 전폐형이 가장 적음을 알 수 있었다. 결국 이심률이 증가하여 도 출력 토크의 변화가 가장 작고, 토크 리플 또한 가장 적게 발생하는 전폐형 슬롯이 이심률에 가장 효과적인 슬롯형태라 볼 수 있다.
전폐형은 비록 출력 토크는 반폐형보다 작지만, 이심률 증가시에 나타나는 출력 토크의 변화가 반 폐형보다 작아 산뢰성 있는 출력 토크를 낼 수 있을 뿐만 아니라, 토크 리플이 가장 작아 모터의 소음 및 진동을 줄일 수 있는 가장 최적화된 슬롯형태임을 알 수 있었다. 이와 같이 동일한 면적을 가지는 회전자 슬롯은 그 형태 변화에 따라 출력 토크 및 이심률 증가 시에 나타나는 토크 리플 특성에 큰 차이가 나타남을 알 수 있었다.

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