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[국내논문] 3 자유도 4극 스피리컬 영구자석형 전동기의 회전자계 연구
A Study on Rotating Field of 4 Poles Spherical PM Motor with 3 D.O.F. 원문보기

대한전기학회 2011년도 제42회 하계학술대회, 2011 July 20, 2011년, pp.844 - 845  

고성철 (한양대학교) ,  강동우 (한양대학교) ,  김승주 (LG전자) ,  원성홍 (동양미래대학) ,  이주 (한양대학교)

초록
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스피리컬 전동기의 적용대상인 기존의 다자유도 시스템은 다수의 전동기를 동시에 제어해야 하므로 제어성과 전력공급면에서 단점을 갖는다. 하나의 전동기로 다 자유도 시스템을 구현할 수 있는 스피리컬 전동기는 출력 밀도 측면에서 영구자석을 이용한 형태의 연구가 주로 진행되고 있는데, 세계적으로 기초연구 단계에 있다. 스피리컬 영구자석형 전동기를 구현하기 위해서는 회전자를 지지하면서 3자유도 구현이 가능한 구조적인 설계, 3자유도의 전동력의 발생 메커니즘 설계, 3차원 전자장 해석 및 제어알고리즘 구현이 필요하다. 회전축이 기울여진 상황에서 회전자계를 발생시키는 식이 보고되고 있으나 회전형 전동기와 달리 공증된 회전자계 식이 없는 상황이다. 본 연구에서는 전류벡터를 이용한 회전자계 식에 대한 연구를 진행하였다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 4극 스피리컬 영구자석형 전동기의 회전자계 발생을 위한 12코일의회전자계 식을 제안하였다. 기존이ㅡ 회전자계 식은 삼각함수를 이용하여 위아래 코일의 전류를 배분하는 것으로 해당 식에서 각주파수는 일정하지만 회전축의 위치가 수직이 아닐 경우 회전자의 회전시에 위치오 차가 발생하여 일정한 주파수로 회전할 수 없는 문제가 발생하였다.
  • 이를 보완하기 위하여 회전자가 일정한 주파수르 회전할 경우 나타나는 기자력의 X-Y 평면상의 방향을 Z-Y-Z Euler 각을 이용하여 먼저 구하였다. 그리고 기자력이 특정 코일쌍 내부를 지날 때 지나가는 위치각 방향으로 합성 기자력이 발생하도록 위쪽과 아래쪽의 코일의 전류를 결정 하였다. 다만 이를 연산하기 위해서는 회전자계식은 간단하게 나타날 수없었으며 매번 Euler 변환과 전류크기를 계산하는 연산을 수행해야 하는 문제점이 있다.
  • 이를 보완하기 위하여 코일의 위치벡터를 이용하여 합성자계를 결정하도록 하며, 합성자계가 회전자가 회전하는 평면상에 존재하도록 하여 일정한 속도록 회전하도록 한다. 회전자의 자극이 ωt로 일정하게 회전하고 있다는 조건하에서 식 (5)와 같이 Z-Y-Z Euler각인 α,β,γ를 이용 하여 X-Y 평면상의 자극의 위상각도를 구해야 한다.
  • 기존이ㅡ 회전자계 식은 삼각함수를 이용하여 위아래 코일의 전류를 배분하는 것으로 해당 식에서 각주파수는 일정하지만 회전축의 위치가 수직이 아닐 경우 회전자의 회전시에 위치오 차가 발생하여 일정한 주파수로 회전할 수 없는 문제가 발생하였다. 이를 보완하기 위하여 회전자가 일정한 주파수르 회전할 경우 나타나는 기자력의 X-Y 평면상의 방향을 Z-Y-Z Euler 각을 이용하여 먼저 구하였다. 그리고 기자력이 특정 코일쌍 내부를 지날 때 지나가는 위치각 방향으로 합성 기자력이 발생하도록 위쪽과 아래쪽의 코일의 전류를 결정 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다자유도 시스템의 단점은 무엇인가? 스피리컬 전동기의 적용대상인 기존의 다자유도 시스템은 다수의 전동기를 동시에 제어해야 하므로 제어성과 전력공급면에서 단점을 갖는다. 하나의 전동기로 다 자유도 시스템을 구현할 수 있는 스피리컬 전동기는 출력 밀도 측면에서 영구자석을 이용한 형태의 연구가 주로 진행되고 있는데, 세계적으로 기초연구 단계에 있다.
스피리컬 영구자석형 전동기를 구현하기 위해서는 무엇이 필요한가? 하나의 전동기로 다 자유도 시스템을 구현할 수 있는 스피리컬 전동기는 출력 밀도 측면에서 영구자석을 이용한 형태의 연구가 주로 진행되고 있는데, 세계적으로 기초연구 단계에 있다. 스피리컬 영구자석형 전동기를 구현하기 위해서는 회전자를 지지하면서 3자유도 구현이 가능한 구조적인 설계, 3자유도의 전동력의 발생 메커니즘 설계, 3차원 전자장 해석 및 제어알고리즘 구현이 필요하다. 회전축이 기울여진 상황에서 회전자계를 발생시키는 식이 보고되고 있으나 회전형 전동기와 달리 공증된 회전자계 식이 없는 상황이다.
스피리컬 전동기의 코일은 어떠한 역할을 하는가? 일반적인 3자유도 스피리컬 전동기는 회전을 위하여 기본적으로 3상의 코일을 가지고 있다.[2][3] 각 상의 코일은 수평면을 기준으로 위쪽과 아래쪽의 한 쌍의 코일을 가지며 전류비를 조절하여 회전축의 기울임을 구현한다.[1] 따라서 2극의 3자유도 영구자석형 스피리컬 전동기의 경우 기본적으로 위쪽의 3상 코일과 아래쪽의 3상 코일이 필요하며 총 6개의 코일에 독립적으로 전류를 인가할 수 있는 구조를 갖는다.
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