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문제 정의
- 본 연구를 통하여 3상 유도 전동기의 전자기적 손실을 예측하고 온도 분포를 파악할 수 있는 열손실 사상법(HMM)의 수치 모델을 성공적으로 개발하였다. 본 연구에서 선정한 3상 유도 전동기 기준 모델의 경우약 90.
제안 방법
- 3kW급 3상 유도 전동기를 기준 모델로 선정하여 정격 구동 상태에 대하여 전자기장 해석을 수행하였다. 기준 모델로 선정된 3kW급 3상 유도 전동기에 대한 제원을 표1에 정리하였다.
- 3kW급 3상 유도 전동기의 열유동 해석은 Fluent를 이용하여 열해석을 수행하였다. 식 (2)는 에너지 보존 방정식을 나타낸 것으로써 단위 부피당 발열량이 전자기적 손실에 의한 것으로 계산이 된다.
- 이후 FEM에 기반을 두고 전자기장 해석 후, 열원을 균일하게 한 요소에 적용하는 집중 열용량법에 대한 연구가 진행되었다. [3-4] 본 연구에서는 기존의 집중 열용량법에 비해 정확도가 높은 열손실 사상법(Heat loss Mapping Method, HMM)을 개발하고, 이를 이용하여 3상 유도 전동기의 열유동 해석을 수행하였다.
- 3상 유도 전동기의 전자기장 해석은 전동기 구동 시 발생하게 되는 손실이 열유동 해석에서 열원으로 사용되기 때문에 매우 중요하다. 본 연구에서는 산업용으로 사용되는 3kW급 3상 유도 전동기를 기준 모델로 선정하고 이를 MaxwellⓇ을 이용하여 전자기장 해석을 수행하였다. 전자기장 해석을 수행 후 열손실 사상법(HMM)을 이용하여 열유동 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 열손실 사상법을 이용하여 3상 유도 전동기의 전자기장 및 열유동 해석을 수행하였다. 3kW급 기준 모델에서의 효율은 약 90.
- 5%의 효율을 나타내었으며, 전자기적 손실은 열에너지의 형태로 소산되었다. 전자기장 해석을 통하여 계산된 철손 및 이론적인 계산을 통한 동손을 열유동 해석장에 사상하는 열손실 사상법으로 3상 유도 전동기의 열해석을 수행하였다. 그 결과, 회전자와 고정자 사이의 공극에 의해 회전자와 샤프트의 온도가 높게 나타났다.
대상 데이터
- 본 연구에서 기준 모델로 선정한 3kW급 3상 유도 전동기는 정격 속도 30,000rpm에서 구동하는 스핀들 전동기로써 0.9Nm의 토크로 구동하는 전동기이다. 그림 2는 정격 속도에서의 효율과 토크 특성을 나타낸 그림이다.
이론/모형
- 기준 모델로 선정된 3kW급 3상 유도 전동기에 대한 제원을 표1에 정리하였다. 3상 유도 전동기의 전자기장 해석은 자속 밀도(B field)와 자계(H field)를 유한요소법을 이용하여 계산하게 된다. 이를 통하여 고정자 및 회전자 등 각 영역에 대해 철손(core loss)를 계산하게 된다.
- 본 연구에서는 산업용으로 사용되는 3kW급 3상 유도 전동기를 기준 모델로 선정하고 이를 MaxwellⓇ을 이용하여 전자기장 해석을 수행하였다. 전자기장 해석을 수행 후 열손실 사상법(HMM)을 이용하여 열유동 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 열손실 사상법을 이용하여 3상 유도 전동기의 전자기장 및 열유동 해석을 수행하였다. 3kW급 기준 모델에서의 효율은 약 90.5%정도로 예측되었으며, 모든 전자기적 손실은 열에너지로 소산되었다. MaxwellⓇ을 이용하여 예측한 전자기적 손실과 열손실 사상법 (HMM)을 이용하여 FluentⓇ에서 열원으로 사상한 결과를 비교함으로써 전자기장 계산 영역(domain)과 열유동 계산 영역이 일치함을 확인하였다.
- 5%정도로 예측되었으며, 모든 전자기적 손실은 열에너지로 소산되었다. MaxwellⓇ을 이용하여 예측한 전자기적 손실과 열손실 사상법 (HMM)을 이용하여 FluentⓇ에서 열원으로 사상한 결과를 비교함으로써 전자기장 계산 영역(domain)과 열유동 계산 영역이 일치함을 확인하였다.
- 전자기장 해석을 통하여 계산된 철손 및 이론적인 계산을 통한 동손을 열유동 해석장에 사상하는 열손실 사상법으로 3상 유도 전동기의 열해석을 수행하였다. 그 결과, 회전자와 고정자 사이의 공극에 의해 회전자와 샤프트의 온도가 높게 나타났다. 이는 공기에 의한 열전달이 거의 발생하지 않았음을 의미하게 된다.
- 그림 3과 같이 전자기장 해석을 통한 손실과 열유동 해석 영역으로 사상된 손실량은 컨투어 뿐만 아니라 수치적으로도 일치하게 나타남으로써 두 해석 영역간의 사상(mapping)이 원활하게 진행됨을 확인하였다. 그림 4는 사상된 철손과 식 (1)에 의해 계산된 동손을 이용하여 정상 상태에서 구동하는 3상 유도 전동기의 온도 분포를 나타낸 결과이다.
- 본 연구를 통하여 3상 유도 전동기의 전자기적 손실을 예측하고 온도 분포를 파악할 수 있는 열손실 사상법(HMM)의 수치 모델을 성공적으로 개발하였다. 본 연구에서 선정한 3상 유도 전동기 기준 모델의 경우약 90.5%의 효율을 나타내었으며, 전자기적 손실은 열에너지의 형태로 소산되었다. 전자기장 해석을 통하여 계산된 철손 및 이론적인 계산을 통한 동손을 열유동 해석장에 사상하는 열손실 사상법으로 3상 유도 전동기의 열해석을 수행하였다.
- 열손실 사상법의 해석 흐름도를 그림 1에 나타내었다. 전자기장 해석 영역과 열유동 해석 영역의 1:1로 일치함으로써 영역별로 국부적인 손실 분포를 정확하게 반영하여 열유동 해석에 사용할 수 있게 되었다.
후속연구
- 이론적인 예측 값과 거의 유사한 양상을 보이며, 향후 온도 측정 실험 및 전동기 효율을 측정 하여 전자기장 해석 및 열유동 해석 각각의 신뢰성을 확보할 예정이다. 본 연구에서 개발한 열손실 사상법은 향후 전동기 설계 단계에서부터 온도에 대한 부분도 고려할 수 있기 때문에 많이 활용될 것으로 판단한다.
- 전자기장 해석의 경우 회전자의 속도와 토크를 설계 기준에 만족하였다. 이론적인 예측 값과 거의 유사한 양상을 보이며, 향후 온도 측정 실험 및 전동기 효율을 측정 하여 전자기장 해석 및 열유동 해석 각각의 신뢰성을 확보할 예정이다. 본 연구에서 개발한 열손실 사상법은 향후 전동기 설계 단계에서부터 온도에 대한 부분도 고려할 수 있기 때문에 많이 활용될 것으로 판단한다.
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