[논문]항공기 추진용 Ring-type PMSM 설계

이재광; 이기덕; 정재웅; 이주

문제 정의

본 논문에서 다루는 항공추진용 Ring-type PMSM의 경우 전동기 내부에 블레이드가 삽입되어야 하기 때문에 회전자의 요크 폭이 매우 얇아져 내부에 사용할 수 있는 자석의 형상과 크기도 제약이 따른다. 때문에 본 논문에서는 희토류 계열 영구자석이 적용된 SPMSM과 IPMSM에 자석의 형상과 삽입 방법에 따라 어떤 모델이 Ring-type PMSM에 적합한지에 대하여 검토하였다. 두가지 타입 중 SPMSM의 특징으론 크게 자석이 회전자표면에 부착되어 있는 구조로 제작이 간단하다는 점과 회전자가 회전할 때 자석 비산을 방지하기 위해 Sleeve을 설치해야 한다는 점을 갖고, IPMSM의 경우 자석이 내부에 매입되어 있어 Sleeve 설치가 불필요하고 Ld, Lq 차이를 두어 돌극성을 띄는 구조로 설계하게 된다면 마그네틱토크와 릴럭턴스 토크를 이용하여 고토크를 확보 할 수 있고 자석 단부에 누설 자속이 발생한다는 특징을 갖는다.
우리 실생활에서 쉽게 접할 수 있는 대표적인 예로 전기자동차를 들 수 있는데 이 뿐만 아니라 요즘 들어 항공기와 선박을 추진하는데 사용하는 내연기관 또한 전동기로 전환하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 전동기 내부에 블레이드가 삽입되어 항공기 추진용으로 이용되는 전동기에 대해 연구하였다.

제안 방법

본 논문에서는 항공기 추진용 Ring-type PMSM의 적합한 타입을 선정하여 기초 설계를 진행하였고, 제약 조건에 의해 얇고 넓게 삽입되는 자석에 발생하는 와전류손을 자석을 분할하는 방법을 통해 저감하였다. 그 결과 전체 부하 포인트에서 만족하는 전동기를 설계하였고 정격 전류 그리고 두 배의 전류 포인트에서 감자해석을 통해 신뢰성을 확인하였다.
때문에 자석 분할에 의한 효율 추이를 분석하기위해 에서와 같이 링 모양의 자석을 동일 간격으로 분할하여 배치했을 때의 변화하는 추이를 분석하였다.
발열이 심해지게 되면 네오디움 자석의 경우 knee-point가 2사분면으로 이동하게 되고 이를 고려하지 않고 운전하게 되면 역자계에 의해 운전점이 이동하여 영구적인 감자로 인해 전체 성능을 저하할 수 있다. 때문에 최대속도에서 만족하는 성능을 내는 전류 포인트와 사고를 가정한 두 배의 전류를 인가했을 때의 감자특성을 분석하였다.
항공기 추진용 Ring-type PMSM의 경우 내부에 삽입되는 블레이드에 영향으로 회전자의 요크 폭을 얇게 설계해야 한다는 제약조건을 고려해야한다. 본 논문에서는 항공기 추진용 Ring-type PMSM의 적합한 타입을 선정하여 기초 설계를 진행하였고, 제약 조건에 의해 얇고 넓게 삽입되는 자석에 발생하는 와전류손을 자석을 분할하는 방법을 통해 저감하였다. 그 결과 전체 부하 포인트에서 만족하는 전동기를 설계하였고 정격 전류 그리고 두 배의 전류 포인트에서 감자해석을 통해 신뢰성을 확인하였다.
두가지 타입 중 SPMSM의 특징으론 크게 자석이 회전자표면에 부착되어 있는 구조로 제작이 간단하다는 점과 회전자가 회전할 때 자석 비산을 방지하기 위해 Sleeve을 설치해야 한다는 점을 갖고, IPMSM의 경우 자석이 내부에 매입되어 있어 Sleeve 설치가 불필요하고 Ld, Lq 차이를 두어 돌극성을 띄는 구조로 설계하게 된다면 마그네틱토크와 릴럭턴스 토크를 이용하여 고토크를 확보 할 수 있고 자석 단부에 누설 자속이 발생한다는 특징을 갖는다. 본 논문에서는 항공추진용 Ring-type PMSM를 두 가지 타입의 설계하여 유한요소해석을 통해 전자기적 성능을 비교하고 Sleeve에서 발생하는 손실과 자석에서 발생하는 손실을 분석하여 최종 모델을 선정하였다.
본 모델에서 설계한 모델의 극수 슬롯 수 조합의 경우 운전시에 발생되는 철심에서의 히스테리시스손과 얇은 요크폭으로 인해 회전자 내부에 삽입할 수 있는 자석의 제약조건, 그리고 제어성을 고려하여 몇 가지 조합을 선정 후 유한요소해석을 20극 24슬롯으로 선정하였다.
네오디움 자석이 적용된 전동기의 경우 자석에서 발생되는 와전류손을 고려해야할 필요가 있다. 본 모델에서는 자석에서 발생되는 와전류손을 저감하기 위해 식 (2)에서 변경할 수 있는 자석의 너비를 자석 분할을 통해 조절하여 와전류손을 저감하는 설계를 진행하였다.
앞서 확인하였던 고속영역에서 만족하는 출력을 얻지 못하였던 SPMSM을 대체하기 위해 IPMSM를 설계하여 타당성을 검토하였고, IPMSM의 경우 원형 자석을 사용한 SPMSM에서와 동일하게 내부에 얇고 넓은 자석을 삽입하였을 때 자석에서 큰 와전류손이 발생하는 것을 확인할 수 있었고 앞선 내용과 마찬가지로 자석을 저감해가면서 그 경향성과 제작성을 고려하여 적합한 포인트를 선정하였다.
의 조건들을 고려하여 정격 속도에 성능을 만족시키는 SPMSM에서 와 같이 원형자석이 적용된 모델과 와 같이 자석 분할 후 Sleeve을 적용한 모델을 검토하였다.

대상 데이터

<그림 2>를 보면 자석의 분할 개수를 증가시키면 와전류손 저감으로 인해 전동기에 전체 효율이 높아지는 것을 확인할 수 있고 전동기의 제작성을 고려하여 6개로 분할하였을 때를 설계 포인트를 선정하였다.

성능/효과

(b) 경우 (a)에서 발생한 문제인 마그넷 손실을 저감하기 위해 자석을 분할한 모델이다. <표 2>를 보면 정격속도에서는 자석에서 발생하는 손실은 줄어든데 반해 (a) 모델에는 없던 비산을 방지하기 위해 설치하였던 Sleeve에서 큰 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있었고 두 모델을 검토한 결과 본 시스템에 적용하기 위해선 SPMSM의 경우 본 시스템에 부적절하다는 것을 알 수 있었다.
〈표 2〉를 통해 (a) 모델에서는 영구자석 와전류손이 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 그 결과 정격속도에서는 낮은 효율로 만족하는 성능을 얻을 수 있는데 반해 최고속도에서는 영구자석 와전류손의 상승으로 만족하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다. (b) 경우 (a)에서 발생한 문제인 마그넷 손실을 저감하기 위해 자석을 분할한 모델이다.
앞선 가정으로 감자의 여부를 확인하고자 해석을 수행한 결과 를 통해 자석의 끝단에 무시해도 될 정도의 작은 감자가 일어난 것을 확인할 수 있었고, 최고 성능 포인트와 그 두 배의 전류 포인트에서도 감자가 일어나지 않는다는 것을 확인하였다.

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