[논문]영구자석 풍력발전기의 특성해석 기법 연구

김재광; 정윤미; 김기찬; 이대동; 김영달

[국내논문] 영구자석 풍력발전기의 특성해석 기법 연구
A Study on Technique for Characteristic Analysis of PM Wind Generator 원문보기

김재광 (한밭대학교) , 정윤미 (한밭대학교) , 김기찬 (한밭대학교) , 이대동 (한양대학교) , 김영달 (한밭대학교)

본 논문은 영구자석을 사용한 풍력발전기의 특성해석 기법에 관한 기초적인 연구로 시뮬레이션 해석기법을 적용하였다. 해석을 위한 발전기 모델은 SPMSG(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Generator; 표면 부착형 영구자석 동기발전기)로 선정하였으며 정격출력은 750[kW], 정격회전속도는 25[rpm]rpm의 사양을 가지는 발전기의 특성에 관하여 해석을 수행하였다. 설계 및 해석 과정에서 영구자석의 형상을 주요 변수로 설정하고 자속밀도의 균일한 분포와 풍력 발전기의 정속운전 상태에서 발생하는 전기자 권선의 역기전력 파형을 확인하여 고조파 성분을 저감하는 것에 중점을 두고 특성해석을 수행하였다.

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문제 정의

본 논문에서 다루는 풍력발전기 시뮬레이션 설계는 새로운 발전기의 연구 및 개발이 아닌 기존에 개발된 750 [kW]제품에 대한 특성을 파악하고 자속분포 및 성능향상에 대하여 관찰하기 위한 방향으로 진행되었다. 영구자석에 의한 자속분포 및 밀도를 확인하기 위하여 유한 요소법(Finite element Method)을 사용하였으며 그림 2에서 유한요소 mesh 상태를 나타내었다.

제안 방법

SPMSG의 설계는 시뮬레이션 기법을 적용하여 발전기 설계 및 특성분석을 수행하였다.
SPMSG의 자속분포를 기존의 모델보다 향상시키기 위해서 영구자석의 형상을 변형하여 해석하는 작업을 수행하였다. 자석의 두께는 기존의 값을 취하면서 Pole Embrace, Pole Offset 두 가지 Parameter를 변형하여 기존모델보다 향상된 자속밀도 분포를 나타낼 수 있는 설계 작업을 수행하였다.
영구자석에 의한 자속분포 및 밀도를 확인하기 위하여 유한 요소법(Finite element Method)을 사용하였으며 그림 2에서 유한요소 mesh 상태를 나타내었다. 또한 mesh 상태에서 자속밀도 분포를 확인하였다.
본 논문에서는 풍력발전시스템에 적용되는 SPMSG의 시뮬레이션 설계 및 특성해석을 통하여 영구자석의 형상이 발전기 Stator와 Rotor에 미치는 영향과 권선에 을 분석하였다. 발전기의 자속 밀도와 분포에 영향을 미치는 Parameter에는 여러 가지가 있으나 본 해석에서는 Pole Embrace와 Pole Offset의 두 가지 Parameter를 변형하며 해석하였다. 그 결과 영구자석의 너비가 늘어남에 따라 Stator와 Rotor 내부의 자속 밀도가 균형있게 분포됨을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 풍력발전시스템에 적용되는 SPMSG의 시뮬레이션 설계 및 특성해석을 통하여 영구자석의 형상이 발전기 Stator와 Rotor에 미치는 영향과 권선에 을 분석하였다. 발전기의 자속 밀도와 분포에 영향을 미치는 Parameter에는 여러 가지가 있으나 본 해석에서는 Pole Embrace와 Pole Offset의 두 가지 Parameter를 변형하며 해석하였다.
SPMSG의 자속분포를 기존의 모델보다 향상시키기 위해서 영구자석의 형상을 변형하여 해석하는 작업을 수행하였다. 자석의 두께는 기존의 값을 취하면서 Pole Embrace, Pole Offset 두 가지 Parameter를 변형하여 기존모델보다 향상된 자속밀도 분포를 나타낼 수 있는 설계 작업을 수행하였다. Pole Embrace 값이 커지게 되면서 자극사이의 간격이 좁아지게 되고 그 값이 1이 되면 N극과 S극이 접촉하게 된다.
특성해석에 사용된 SPMSG의 성능 및 효율을 높이기 위해서 발전기 Rotor에 부착된 영구자석의 형상에 변화를 주면서 자속밀도를 균일하게 분포시키는 설계를 수행하였다.

이론/모형

본 논문에서 다루는 풍력발전기 시뮬레이션 설계는 새로운 발전기의 연구 및 개발이 아닌 기존에 개발된 750 [kW]제품에 대한 특성을 파악하고 자속분포 및 성능향상에 대하여 관찰하기 위한 방향으로 진행되었다. 영구자석에 의한 자속분포 및 밀도를 확인하기 위하여 유한 요소법(Finite element Method)을 사용하였으며 그림 2에서 유한요소 mesh 상태를 나타내었다. 또한 mesh 상태에서 자속밀도 분포를 확인하였다.

성능/효과

그 결과 Pole Embrace 즉, 자석의 너비가 늘어남에 따라 자속 밀도가 고르게 분포되는 것을 확인할 수 있었다. 그림 4에서는 확인할 수 있듯이 Rotor 표면에 부착된 영구자석에 의한 자속이 Stator 슬롯 영역 전반에 비교적 균일하게 분포되고 있음을 확인할 수 있다.
발전기의 자속 밀도와 분포에 영향을 미치는 Parameter에는 여러 가지가 있으나 본 해석에서는 Pole Embrace와 Pole Offset의 두 가지 Parameter를 변형하며 해석하였다. 그 결과 영구자석의 너비가 늘어남에 따라 Stator와 Rotor 내부의 자속 밀도가 균형있게 분포됨을 확인할 수 있었다. 하지만 풍력발전기가 25[rpm]으로 정속운전하는 조건에서 발생하는 역기전력의 고조파성분은 증가하게 되어 실제의 풍력발전기 모델로는 적합성이 떨어지게 된다.
그림 4에서는 확인할 수 있듯이 Rotor 표면에 부착된 영구자석에 의한 자속이 Stator 슬롯 영역 전반에 비교적 균일하게 분포되고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 풍력발전가 정속으로 운전되는 상태에서 전기자 권선에 유도되는 역기전력은 Pole Embrace: 0.8인 모델이 안정적으로 나타났다. 4가지 모델 중에서 그림 5와 같이 Pole Embrace: 0.

후속연구

실제 표면 부착형 영구자석 동기발전기를 제작함에 있어서 영구자석의 비율이 늘어나게 되면 기계적 안정성이 떨어지고 영구자석 비용에 따른 경제성을 고려해야 함으로 영구자석 풍력발전기에 접목시키기 위해서는 발전기 특성에 맞는 자성재료와 형상 및 배치를 고려해서 설계에 응용해야 할 것이다.

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