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문제 정의
- 이 결과, spoke type의 경우 운전점이 감자와 관련이 있는 knee point와 가까워지기 때문에 SPMSM과 IPMSM보다 감자에 취약하다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 설계변수를 조정하여 운전점을 knee point에서 멀어지도록 하여 감자의 가능성을 줄이는 것이 본 설계의 목표이다.
제안 방법
- 기본형상에서 자석의 감자를 확인하고 두 개의 설계변수를 수정하여 감자율을 줄이는 형상을 설계하였다. 설계변수 X1을 1.
- 이러한 형태의 전동기는 회전자측 자속이 다른 전동기들보다 철심을 많이 이용하기 때문에, 영구자석위의 회전자 오프닝과 베리어의 높이에 의해 특성이 크게 변화한다 [2]. 따라서 이 두 설계변수들을 각각 X1과 X2로 지정해 바꾸어가며 자석의 감자를 줄이고, 전동기의 특성을 향상시키는 설계를 진행한다.
- 본 논문에서는 spoke type 전동기의 기본설계 형상을 이용하여 목표출력을 만족하도록 구동을 한 뒤, 자석의 감자를 확인하여 감자가 되지 않도록 회전자의 형상을 변화시키는데 집중하였다. 또한, 형상 변화를 했을 때 발생한 특성변화를 분석하였다.
- 6%로 증가하였다. 목표토크는 만족하였으나, 모서리 부분의 감자현상을 개선시키기 위해 베리어의 높이(X2)를 변화시켜 감자율을 확인하였다.
- 본 논문에서는 spoke type 전동기의 기본설계 형상을 이용하여 목표출력을 만족하도록 구동을 한 뒤, 자석의 감자를 확인하여 감자가 되지 않도록 회전자의 형상을 변화시키는데 집중하였다. 또한, 형상 변화를 했을 때 발생한 특성변화를 분석하였다.
- 본 논문에서는 자석감자를 고려한 spoke type 전동기의 회전자를 두 개의 설계변수를 고려하여 설계하였다. 초기형상에 감자가 발생한다는 것을 확인한 후, 회전자 오프닝(X1)과 베리어 높이(X2)를 바꾸어 가며 목표 토크에 따른 자석 감자를 확인 하였다.
- 운전점의 변화를 알아보기 위해 기본형상에 사용한 페라이트 자석을 spoke type, IPMSM, 그리고 SPMSM에 각각 사용하여 퍼미언스 계수에 따른 운전점을 찾아보았다. 그 결과, 전동기의 특성에 따라 운전점이 변하는 것을 확인 할 수 있었으며, 퍼미언스 계수는 IPMSM에 사용하였을 때 가장 컸고, SPMSM, 그리고 spoke type 순서로 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 3%로 나타난다. 이러한 감자 특성은 설계변수에 따라 변하기 때문에 설계변수 X1과 X2의 변화에 따른 감자특성을 확인하였다.
- 자속에 의한 베리어 부분의 영향을 줄이기 위하여 설계변수 X2를 기존 0.5mm에서 1.0mm로 증가시켰다. 그림 6의 (a)는 X2의 값이 1.
- 본 논문에서는 자석감자를 고려한 spoke type 전동기의 회전자를 두 개의 설계변수를 고려하여 설계하였다. 초기형상에 감자가 발생한다는 것을 확인한 후, 회전자 오프닝(X1)과 베리어 높이(X2)를 바꾸어 가며 목표 토크에 따른 자석 감자를 확인 하였다.
- 역기전력이 상승함에 따라 전동기의 출력밀도가 향상된다. 하지만, 본 논문에서는 자석 감자를 고려한 형상설계를 목표로 하기 때문에 두 가지의 설계변수를 적절이 이용하여 감자를 최소화한 X1 : 5.0mm, X2 : 1.0mm 형상을 최종 회전자 형상으로 택하였다.
- 형상의 설계변수(X1, X2)를 바꾸어가며 특성을 비교하기위해 목표토크 8.3Nm의 출력을 기준으로 하였으며, 기본형상의 경우 목표토크를 내기 위한 전류인 40A를 인가하였다.
대상 데이터
- 기본형상에서 자석의 감자를 확인하고 두 개의 설계변수를 수정하여 감자율을 줄이는 형상을 설계하였다. 설계변수 X1을 1.0mm에서 5.0mm으로, X2를 0.5mm에서 1.0mm로 수정하여 최종모델을 선정하였다. 각 설계변수의 변화에 따른 평균토크가 변하는 것을 확인하였으며, 이에 대한 요인은 각각의 설계변수에 따른 역기전력 파형에서 확인 가능하다.
성능/효과
- 의 변화에 따른 역기전력 파형을 나타낸 것이다. 우선 (a)의 회전자 오프닝에 의한 역기전력 파형을 보면, 회전자의 오프닝이 커질수록 역기전력이 커진다는 것을 알 수 있다. 또한, (b)의 베리어 높이에 따른 역기전력 파형에서는 베리어의 높이가 커질수록 역기전력은 감소한다는 것을 알 수 있다.
- 우선 (a)의 회전자 오프닝에 의한 역기전력 파형을 보면, 회전자의 오프닝이 커질수록 역기전력이 커진다는 것을 알 수 있다. 또한, (b)의 베리어 높이에 따른 역기전력 파형에서는 베리어의 높이가 커질수록 역기전력은 감소한다는 것을 알 수 있다. 회전자 오프닝이 커질수록, 그리고 베리어의 높이가 작아질수록 쇄교자속양이 증가하며, 그 결과 역기전력이 상승한다.
- 0mm일 때 34A를 인가하여 얻은 감자형상이다. Demagnetization ratio가 기존의 363.6%에서 30.65%로 줄었으며, 감자되는 영역이 기존보다 감소하였다는 것을 확인 할 수 있다 (b)는 X2의 값이 0.5mm와 1.
- 0mm로 수정하여 최종모델을 선정하였다. 각 설계변수의 변화에 따른 평균토크가 변하는 것을 확인하였으며, 이에 대한 요인은 각각의 설계변수에 따른 역기전력 파형에서 확인 가능하다.
- 운전점의 변화를 알아보기 위해 기본형상에 사용한 페라이트 자석을 spoke type, IPMSM, 그리고 SPMSM에 각각 사용하여 퍼미언스 계수에 따른 운전점을 찾아보았다. 그 결과, 전동기의 특성에 따라 운전점이 변하는 것을 확인 할 수 있었으며, 퍼미언스 계수는 IPMSM에 사용하였을 때 가장 컸고, SPMSM, 그리고 spoke type 순서로 나타나는 것을 알 수 있었다. 이 결과, spoke type의 경우 운전점이 감자와 관련이 있는 knee point와 가까워지기 때문에 SPMSM과 IPMSM보다 감자에 취약하다는 것을 확인 할 수 있다.
- 90Nm까지 증가하였다. 따라서 인가전류를 34A까지 줄여 평균토크를 8.38Nm으로 목표토크를 만족하였다. 하지만 누설자속이 줄어들어 감자율의 최대 점 값은 240.
- 설계변수 X1을 바꾼 형상의 경우 자석의 감자율이 오프닝의 중간과 모서리에 나누어 분포되어있는 기본형상과 달리, 자석의 감자가 모서리에 집중되었다. 또한, 오프닝의 길이가 길어지며 누설자속이 줄어들어 같은 40A의 전류를 인가하였을 때 토크의 평균이 8.90Nm까지 증가하였다. 따라서 인가전류를 34A까지 줄여 평균토크를 8.
- 30Nm의 목표토크를 도달하는데 필요한 인가 전류가 40A에서 34A로 감소하였다. 또한, 초기형상과 최종형상의 자석감자형상을 비교하면 감자되는 영역이 줄어드는 것을 확인하였다.
- 설계변수 X1과, X2를 수정하여 감자율의 최대 점을 240.3%에서 30.65%로 줄일 수 있었으며, 8.30Nm의 목표토크를 도달하는데 필요한 인가 전류가 40A에서 34A로 감소하였다. 또한, 초기형상과 최종형상의 자석감자형상을 비교하면 감자되는 영역이 줄어드는 것을 확인하였다.
- 그 결과, 전동기의 특성에 따라 운전점이 변하는 것을 확인 할 수 있었으며, 퍼미언스 계수는 IPMSM에 사용하였을 때 가장 컸고, SPMSM, 그리고 spoke type 순서로 나타나는 것을 알 수 있었다. 이 결과, spoke type의 경우 운전점이 감자와 관련이 있는 knee point와 가까워지기 때문에 SPMSM과 IPMSM보다 감자에 취약하다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 설계변수를 조정하여 운전점을 knee point에서 멀어지도록 하여 감자의 가능성을 줄이는 것이 본 설계의 목표이다.
- 일반적으로 전동기를 설계할 때는 쇄교자속의 양을 향상시키는 것이 전동기의 효율을 개선시킬 수 있다. 하지만, X2 설계변수의 경우 길이가 증가함에 따라 감자는 줄어들지만 쇄교자속이 줄어 역기전력과 토크가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 X2의 값을 정할 때에는 실험적으로 감자와 출력 모두를 만족하는 값을 찾아야 할 것이다.
- 또한, (b)의 베리어 높이에 따른 역기전력 파형에서는 베리어의 높이가 커질수록 역기전력은 감소한다는 것을 알 수 있다. 회전자 오프닝이 커질수록, 그리고 베리어의 높이가 작아질수록 쇄교자속양이 증가하며, 그 결과 역기전력이 상승한다. 역기전력이 상승함에 따라 전동기의 출력밀도가 향상된다.
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