[논문]냉동탑차용 매입형 영구자석 동기발전기의 해석 및 응용

장진학; 조창흠; 이상건; 최다운; 조윤현

냉동탑차용 매입형 영구자석 동기발전기의 해석 및 응용
A design and development on Refrigerated Vehicle of IPMSG 원문보기

장진학 (동아대학교 전기공학과) , 조창흠 (동아대학교 전기공학과) , 이상건 (동아대학교 전기공학과) , 최다운 (동아대학교 전기공학과) , 조윤현 (동아대학교 전기공학과)

본 논문에서는 특수차량용 발전기 시스템에 적용되는 3.5kW급 매입형 영구자석 동기발전기의 설계 및 특성해석에 대해 나타내었다. 본 연구에서는 DC전원의 전압을 280[V], 발전기 측에서 발생하는 선간전압을 293.2[V]로 설정하여 설계하였다. 정격속도 2,000[rpm]에서 정상 구동하는 발전기를 목표로2차원 유한요소해석을 통하여 속도별 역기전력과 정격에서의 전압, 전류, 출력에 대해 실험값과 비교 검증하였고, 약계자 제어를 통해 각 속도 영역에서 일정전압이 유기됨을 실험을 통해 검증하였다.

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문제 정의

본 논문은 3.5kW 3상 매입형 영구자석 동기발전기를 설계 및 분석하였다. IPMSG의 구성으로는 그림 1과 같이 크게 발전기와 전력변환, 부하장치로 구성될 수 있다.

가설 설정

모터에 전류를 흘린 상태라고 가정하고, 인덕턴스를 계산하고 싶은 전류값을 Ia, 임의의 전류 위상 β로 입력한 후 앞에 방법과 같이 쇄교자속 또는 U상의 유기전압 변화를 계산하다.

제안 방법

또한 IPMSG의 정격 속도는 2,000[rpm], 최대속도는 6,000[rpm]으로 설정하였다. IPMSG 타입을 선정 이유는 d축, q축 인덕턴스 차이에 의해 발생되는 릴럭턴스토크를 적절히 이용함으로써 고효율, 고출력, 고토크, 고속운전등 장점으로 인하여 선택하였다. 표 1은 시작품의 주요 제원을 나타내고 있다.
여기서 고정자 부분은 12개의 슬롯으로 구성되어 있고, 코일은 2개의 병렬구조로 설계하였으며, 각 상당 62턴으로 구성하였다. 또한 병렬구조의 구성으로 인해 각 슬롯당 도체수는 124턴이 되고, 도체의 점적율은 약 68.9%로 설계하여 권선작업에 어려움이 있어 분할코어로 제작하는 방안을 고려하였다. 영구자석은 선형적인 감자특성을 가지며, 높은 보자력과 잔류자속밀도를 갖는 NdFeB를 사용하였다.
모터단자 개방하고, 부하 측으로부터 모터를 구동한 상태를 가정을 하여 유한요소법으로 회전자를 회전시켜, U상 권선에 쇄교하는 자속 또는 U상의 유기전압의 변화를 계산한다. 모터에 전류를 흘린 상태라고 가정하고, 인덕턴스를 계산하고 싶은 전류값을 I_a, 임의의 전류 위상 β로 입력한 후 앞에 방법과 같이 쇄교자속 또는 U상의 유기전압 변화를 계산하다.
그림 7(d)는 제작되어진 IPMSG의 특성을 고찰하기 위한 실험장치 구성을 나타낸다. 발전기의 특성을 고찰하기 위하여 무부하 시험, 부하시험 등을 하기 위한 계측 장치로 구성하였다. 표 2에서 IPMSG의 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하였다.
본 설계에서는 DC전원의 전압을 280 [V_dc]으로 발전기 측에서 발생하는 선간 전압을 293.2[V]로 설정하여 설계하였다. 설계된 IPMSG의 발전 모드동작은 280[V_dc]로 얻어진 출력단 전압으로부터 시작되며, 실제 발전 기로 얻어지는 전압은 손실과 인입선 등의 손실을 고려하여서 이보다 더 높은 영역을 설계하여야 한다.
그림 2는 IPMSG의 2차원 모델링으로서 1/2 형상만 나타내었다. 여기서 고정자 부분은 12개의 슬롯으로 구성되어 있고, 코일은 2개의 병렬구조로 설계하였으며, 각 상당 62턴으로 구성하였다. 또한 병렬구조의 구성으로 인해 각 슬롯당 도체수는 124턴이 되고, 도체의 점적율은 약 68.
9%로 설계하여 권선작업에 어려움이 있어 분할코어로 제작하는 방안을 고려하였다. 영구자석은 선형적인 감자특성을 가지며, 높은 보자력과 잔류자속밀도를 갖는 NdFeB를 사용하였다.

데이터처리

그리고 정현적인 역기전력 파형을 얻기가 어렵기 때문에, 토크리플의 영향을 주는 3, 5고조파 등을 제거하는 설계가 필요하다. 본 논문에서는 설계된 3.5kW급 IPMSG을 2차원 유한요소법을 이용하며 구한 특성결과를 데이터값과 비교 분석하였다.
발전기의 특성을 고찰하기 위하여 무부하 시험, 부하시험 등을 하기 위한 계측 장치로 구성하였다. 표 2에서 IPMSG의 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하였다.

성능/효과

본 논문에서는 특수차량용 발전기 시스템에 적용되는 3.5kW급 매입형 영구자석 동기발전기의 특성해석에 관한 연구로써 2차원적 유한요소 해석결과는 실험을 통하여 전압 및 전류, 효율, 속도 등이 정확한 해석을 되었음을 확인 할 수 있었다. 향후 토크리플을 주는 3, 5고조파를 제거할 수 있는 설계를 통하여 좀 더 정확한 특성해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.

후속연구

5kW급 매입형 영구자석 동기발전기의 특성해석에 관한 연구로써 2차원적 유한요소 해석결과는 실험을 통하여 전압 및 전류, 효율, 속도 등이 정확한 해석을 되었음을 확인 할 수 있었다. 향후 토크리플을 주는 3, 5고조파를 제거할 수 있는 설계를 통하여 좀 더 정확한 특성해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.

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