[논문]Turbo Compressor용 초고속 전동기 개발

김영관; 최문창

Turbo Compressor용 초고속 전동기 개발
Development of Ultra-High Speed Motor for Turbo Compressor 원문보기

김영관 (LG전자 Digital Appliance연구소 Compressor Group) , 최문창 (LG전자 Digital Appliance연구소 Compressor Group)

In this paper, a brief overview of problems related to the electromagnetic, mechanical design criteria is reported. Also, we described the results about the comparisons between BLDC motor and induction motor for Turbo Compressor considering motor cost, efficiency and reliability. As a result, we select an induction motor for 12.5RT Turbo compressor for the application of small building's all-conditioning system. Finally, a prototype induction motor was manufactured and tested under compressor set. The test results were successfully met the mechanical, thermal and electromagnetic point of view.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나, 초고속 Motor를 탑재한 제품이 상품화되기 위해서는 아직 해결해야할 과제가 많이 남아 있는 실정이다. 본 논문에서는 빌딩의 공조용 시스템으로서 125RT급의 Turbo Compwssor구동용 고쏙 Motor로서 부하, 효율, 신뢰성의 측면을 고려한 구동 Motor의 선정 및 상세 설계등에 관하여 논하고자 한다,

가설 설정

- 고속회전으로 인한 큰 원심력에 견디는 회전자구조일 것.
- 축의 공진주파수를 높이는 회전자 구조일 것.

제안 방법

동은 용융점이 알루미늄에 비하여 상당히 고온이기 때문에 동 다이캐스팅 기술은 아직 미비한 실정이다. 과대한 원심력으로부터 Endring의 파손을 방지하기 위하여 Endring외주면에 Retainer를 삽입하는 구조를 택하였다. 이러한 유도전동기를 Turbo Compressor Set에 조립하여 압축기 성능시험기에 의하여 성능시험을 하였다.
Cost 측면에 있어서는 BLDC Motor의 경우가 유도전동기에 비하여 약 40~50%정도 높게 나타난다. 그러므로 Turbo Compressor 구동용 Motor로서 신뢰성, 제작성, 가격경쟁력의 측면에서 유도전동기가 BLDC Motor에 비하여 우위를 차지하고 있으므로 유도전동기를 선정하였다.
이를 위하여 원심력에 의한 철심의 Stress를 해석하여 문제가 없는 정도의 여유를 두어 Bridge부분의 길이를 정하였다. 본 연구에서는 회전자 강성을 고려하여 동일 극성의 영구자석을 다수개로 분리하여 삽입하는 회전자구조로 설계하였다.
과대한 원심력으로부터 Endring의 파손을 방지하기 위하여 Endring외주면에 Retainer를 삽입하는 구조를 택하였다. 이러한 유도전동기를 Turbo Compressor Set에 조립하여 압축기 성능시험기에 의하여 성능시험을 하였다. 시험결과 압축기로서의 성능은 우수하였으며 Critical Point인 Rotor Dynamincs 및 냉각시스템 구성에서 안정성을 확보한 것을 확인하였다.
(b)는 회전자 철심 내면에 영구자석을 삽입하는 매립형 회전자로서 영구 자석 간의 누설자속을 회소화하는 것이 주요한 문제이다. 이를 위하여 원심력에 의한 철심의 Stress를 해석하여 문제가 없는 정도의 여유를 두어 Bridge부분의 길이를 정하였다. 본 연구에서는 회전자 강성을 고려하여 동일 극성의 영구자석을 다수개로 분리하여 삽입하는 회전자구조로 설계하였다.

대상 데이터

본 개발중인 Turbo Compressor는 급, %, 500rpm, 325냉동톤의 빌딩용 Compressor로서 증속기어가 필요 없는 직접구동 방식을 채택하고 있다.
회전자 슬롯수는 고정자 슬롯 수와의 조합을 고려하여 진동, 소음, 토오크 맥동등의 측면에서 유리한 슬롯조합을 선정하여야 한다. 슬롯조합은 24/17로 선정하였다.

이론/모형

또한, Motor출력이 큰 대용량의 Compressor인 경우 과도한 전기자 전류에 의하여 영구자석이 불가역감자를 일으키지 않도록 설계하는 것이 요구된다. 이러한 조건을 만족하기 위하여 보자력 및 잔류자속밀도가 큰 Nd-Fe-B자석을 채용하였다.

성능/효과

소형 빌딩용 Turbo Compressor구동 Motor로서 유도전동기를 선정, 설계, 시제작 및 압축기 시험 결과 양호한 결과를 얻었으며 고속 Motor의 설계시 설계방향을 정립하였다. 향후, Turbo Compressor의 부하매칭 및 Mechanical Loss저감을 통한 효율 향상 노력이 지속되어야 할 것이다.
이러한 유도전동기를 Turbo Compressor Set에 조립하여 압축기 성능시험기에 의하여 성능시험을 하였다. 시험결과 압축기로서의 성능은 우수하였으며 Critical Point인 Rotor Dynamincs 및 냉각시스템 구성에서 안정성을 확보한 것을 확인하였다.

후속연구

그림에서 보는 바와 같이 압축기 손실중에서 Mechanical, Aerodynamic Loss의 차지 하는 비율이 크다. 이러한 결과로 볼 때, 향후 Turbo Compressor의 효율향상을 위해서 Motor 측면에서 볼 때, Motor의 풍손을 저감하기 위해서는 회전자 외경은 가능한 적게하고 적충길이를 늘리는 방향으로의 설계가 이루어져야 할 것이다. Motor의 무부하시 입력값은 정격회전수 56, 500[rpm]에서 약 680[W] 정도 이며 공기 상태의 풍손을 고려한다면 철손은 약 300[W]로 추정된다.
향후, Turbo Compressor의 부하매칭 및 Mechanical Loss저감을 통한 효율 향상 노력이 지속되어야 할 것이다.

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