[논문]수소연소 동력/발전시스템용 리니어 발전기 설계에 대한 연구

최동민; 노태석; 임재원; 김기영; 오시덕

문제 정의

소형 발전기기의 경우 작은 손실에도 전체 효율의 변화를 갖기 때문에 발전기의 디텐트력을 감소시키는 부분도 출력의 안정성을 확보하고 효율을 향상하기 위해 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 공극구조개선을 위해 SPM(Surface Permanence Magnet)을 이용한 이동자 설계를 하였고 기계적인 강도를 확보하기 위한 자석고정방식에 대한 연구와 디텐트력 감소를 위한 치 형상 설계에 대한 연구를 수행하였다.

가설 설정

즉 SPM방식이 적용된 발전기의 경우 동일한 축방향 면적(스트로크)에서 기존발전기에 적용된 IPM(Interior Permanent Magnet) 방식에 사용된 자석보다 외경이 작아도 동일한 자속밀도를 얻을 있어(그림 2. 와 그림 3. 참조) 이동자 량을 줄일 수 있다. 단 자석 감자에 대응할 수 있는 정도의 두께가 고려되어야 한다.

제안 방법

2) SPM 방식의 이동자 설계를 위해 리니어엔진의 연소 충격을 대비할 수 있는 기계적인 구조가 요구되었으며, 6조각의 부채꼴 형상의 자석을 조립하기 위한 서브 코어와 코어에 고정 가능하도록 자석형상을 설계하였다.
고효율/고출력을 얻기 위해서 공극을 줄이는 방법으로 발전기 설계를 진행하였다. 이때 발생될 수 있는 이동 자축 변형량을 구조해석 한 결과 공극을 기존 2mm에서 0.
공극감소에 따라 디텐트력이 증가하였고, 이를 개선하기 위해 치 형상설계를 변경하였다. 개선 전 발전기의 경우 철심을 십자모양으로 적측한 후 내부를 원형으로 가공하는 방식을 사용하였다.
본 연구에서 설계한 발전기는 출력과 효율 개선을 위하여 0.5mm 공극 구조를 기반으로 리니어발전기를 설계하였다. 개선된 발전기의 특징은 작은 공극 구조와 운전주파수의 증가에 따른 효율 향상을 주로 하였으며, 철손의 증가를 피하기 위해 극/상 구조는 유지하였다.
설계를 진행하였다. 이때 발생될 수 있는 이동 자축 변형량을 구조해석 한 결과 공극을 기존 2mm에서 0.5mm까지 축소가 가능하여 개선된 발전기 설계에 반영하였다.
있다. 이때 영구자석은 6조각이 Iset을 이루며 축과 수직면으로 자화된 자석을 사용하여 전체적으로 SPM 구조를 가지도록 하였다';
하지만 3차 발전기의 경우 6조각의 부분형 자석을 원형태로 조립을 하기 때문에 자석이 충격에 또는 상호 반발력에 의해 떨어지는 것을 방지하는 구조가 요구되고 그 결과 그림 7.과 같이 자석을 형상가공 하고 자석을 고정할 수 있는 코어를 제작하는 방식의 설계를 적용했다.

성능/효과

1) 기존 2mm 공극에서 0.5mm로 감소 설계 함에 따라 공극 구조를 개선하였고 작은공극에 의해 반경 방향으로 자화된 자석의 사용하여 제한된 영역에서의 자속밀도 확보가 가능하였다. 이는 이동자의 외경감소와 개선 전 대비 60%정도의 질량감소 효과를 얻었다.
3) 공극감소에 따른 디텐트력의 급격한 증가는 철심의 조립방식 개선을 통해 감소가 가능했고 부채꼴 모양의 적층 방식과 치에 챔퍼링을 적용하여 약 150% 수준으로의 증가로 제한 가능했다.
결과적으로 공극 축소를 통해서 이동자의 외경 감소와 질량 저감의 효과를 얻을 수았어 이동자의 실량은 기존이동자 대비 약 60% 수준까지 줄일 수 있다. 이동자의 질량은 시스템의 운전속도와 관련이 있으며, 기계적인 손실과도 관련이 있어 시스템 전체의 관점에서 결정되어져야 한다.
결과적으로 작은공극과 자화방향이 변경된 자석을 적용함으로써 이동자의 경우 질량 및 부피가 60% 정도 줄어들었으며 턴수 감소 및 역기전력 향상에 따른 동손은약 65% 철손은 62% 수준으로 저감하여 3%의 효율 증가 효과를 볼 수 있었다.
용이하다. 공극면에 챔버링을 함으로써 디텐트력을줄일 수 있는데, 시뮬레이션 결과 디텐트력이 약 600N에서 350N까지 저감됨을 확인하였다. 또한 정사각형 모양의 치는 끝부분에서의 자속의 급속한 변화에 의한 자속 쏠림 현상으로 국부적인 포화를 일으킬 수 있기 때문에 이 부분에 챔퍼링을 적용, 제거함으로 자기 포화에 따른 철손 저감이 가능해졌다.
개선된 발전기의 특징은 작은 공극 구조와 운전주파수의 증가에 따른 효율 향상을 주로 하였으며, 철손의 증가를 피하기 위해 극/상 구조는 유지하였다. 또한 철심의 제작 경우 부채꼴모양의 적층방식을 변경 적용하여 조립성능을 향상시켰고 치에 챔퍼링을 적용하여 디텐트력을 감소하는 효과를 얻었다. 주요 개선부분에 대해 정리를 하면 다음과 같다.
은 앞서 설명한 설계 개선안을 모두 적용한 시뮬레이션 결과이다. 발전기의 역기전력을 400V로 제 한충 여 설계하였고, 반경방향 자석을 적용하여 동손을 변경 전 설계 대비 65%수준으로 줄일 수 있었다. 하지만 공극을 2mm에서 0.
의 역기전력파형 그래프는 동일한 크기의 이동자를 가정하였을 때 축 방향/반경방향 자석을 적용한 발전기의 역기전력파형을 나타낸 것이다. 쇄교 자속량의차이로 반경방향 자석을 이용한 발전기가 큰 역기전력을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있으며 권선 턴 수 등을 이용하여 역기전력 최대값을 일치시킨 경우에도 역기전력의 RMS 값이 반경방향 자석의 50%정도 수준의 값을 가지는 것을 확인하였다. 따라서 반경방향 자석의 사용이 기기의 출력 및 효율측면에서 유리하다.
발전기의 역기전력을 400V로 제 한충 여 설계하였고, 반경방향 자석을 적용하여 동손을 변경 전 설계 대비 65%수준으로 줄일 수 있었다. 하지만 공극을 2mm에서 0.5mm로 축소함에 따라 치와 자석 간의 인력의 증가하여 디텐트력의 최대값이 변경 전 설계 사양 대비 약 300% 수준으로 증가되지만 새롭게 챔퍼링기법을 도입하여약 150% 수준까지 낮출 수 있었고 철손도 약 62.5% 감소하여 최종적으로 93%의 발전기 효율을 가질 것으로 예상된다. 표 1.

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