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문제 정의
- 먼저 증속기의 내측 회전자의 극수는 고정한 채로 외측 회전자의 극수를 변화시켜 기어비를 조절한다. 다음으로 기어비의 변화에 따른 토크 및 출력특성을 비교 분석하여 효율이 좋은 기어비를 도출하고자 한다. 또한 고속부의 극수의 변화에 따른 특성도 분석하여 함께 비교한다.
- 더욱이 해상풍력에서는 기계적 증속기의 고장 발생 시 교체가 까다롭고 많은 비용이 소모되기 때문에 고 수명, 체적 및 중량의 최소화에 대한 연구가 요구되고 있다. 따라서 본 연구팀에서는 풍력발전기의 부품 중 기계적 증속기의 물리적인 접촉 및 부하의 급변에 대한 한계를 극복할 수 있는 비접촉식 자기 증속기를 제안하였다.
- 나타난 문제점의 해결책으로는 비접촉식 기계 기어를 생각해 볼 수 있으나 사실상 기계식 기어를 비접촉 형태로 개발한다는 것은 모순된 발상이다. 따라서 본 연구팀은 비접촉 상태에서 흡인력을 나타내는 자석을 이용하여 비접촉식 자기 기어(이하: Magnetic gear)를 구성하고 이를 풍력발전기에 적용하고자 한다. 그림 1(b)에 비 접촉식 Magnetic gear를 나타낸다.
- 본 논문은 해상 풍력발전기의 기계식 증속기의 문제점을 개선하고자 비접촉식 자기 증속기를 제안하였으며 저속, 중속, 고속의 풍력발전기 중 중속 풍력발전기의 기어비를 기준으로 기어비의 변화에 따른 비접촉 증속기의 특성에 대해 분석하였다. 각 모델간 기어의 크기 및 자속 사용량은 고정하였으며 기어비에 따른 내측 회전자와 외측 회전자의 극수 및 회전수를 변경하여 그에 따른 기어의 특성을 분석하였다.
- 풍력발전기의 회전속도는 기어비와 밀접한 관련이 있으며 저속기의 기어비는 10:1 내외, 중속기는 40:1 내외, 고속기는 90:1 이상의 값을 주로 사용하고 있다. 이중 본 논문에서는 중속 풍력발전기의 기어비를 기준으로 기어비의 변화에 따른 비접촉 증속기의 특성에 대해 분석한다. 먼저 증속기의 내측 회전자의 극수는 고정한 채로 외측 회전자의 극수를 변화시켜 기어비를 조절한다.
가설 설정
- 또한 고속부의 극수의 변화에 따른 특성도 분석하여 함께 비교한다. 각 모델은 유한요소법(FEM: Finite Element Method)을 기반으로 한 수치해석을 통해 해석하였으며 본 논문에서 분석한 각 모델들은 자석의 와류손에 대한 손실은 발생하지 않는다고 가정하였다.
- 각 모델들은 회전자의 외경 및 내경을 동일하게 하고 극수만을 변경하여 총 자석사용량은 동일하도록 통제하였다. 또한 각 회전자는 이상적인 기어비로 회전한다고 가정하여 기어비에 따른 회전속도로 회전시켰다.
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