초록 ▼

다음은 본 연구과제에서 목표로 하는 모터 및 구동시스템의 사양이다.

-고속 Motor 사양
. 회전속도 : 60,000-70,000 RPM
. 출력 : 200-300 Hp
. 길이 : 약 300mm
. 직경 : 약 170mm
. Sub Critical Speed Area에서 운전
. Bearing-에어 포일 베어링(삼성 테크윈 제공)

-컨트롤러 사양
. 형태 : 3상 인버터(병렬 브리지 type)
. 고 주파수 PWM 제어
.

다음은 본 연구과제에서 목표로 하는 모터 및 구동시스템의 사양이다.

-고속 Motor 사양
. 회전속도 : 60,000-70,000 RPM
. 출력 : 200-300 Hp
. 길이 : 약 300mm
. 직경 : 약 170mm
. Sub Critical Speed Area에서 운전
. Bearing-에어 포일 베어링(삼성 테크윈 제공)

-컨트롤러 사양
. 형태 : 3상 인버터(병렬 브리지 type)
. 고 주파수 PWM 제어
. 180~280 kVA 이상 출력

-냉각 방식
. Stator : Water cooling
. Rotor : Air cooling

-최대 온도 : 200℃

본 과제에서 초형형 고속·고출력의 모터를 제작하기 위해서 영구자석형 동기모터를 개발하고자하였다. 이는 타 모터에 비해 체적당 출력이 월등하기 때문에 초소형의 압축기를 개발하는데 유용하였기 때문이다. 다음은 초고속·고출력의 영구자석형 모터시스템을 개발하기 위한 연구 분야들이다.

-회전자 및 영구자석 개발 : 고속에서 오는 스트레스에 강하도록 간단한 구조를 갖으며, 견고해야 한다. 이를 위해 영구자석재질을 개발해야 한다.
-고정자 개발 : 고정자 철심의 철손을 최소화하고, 토크 리플 및 회전자 기생 손실을 최소화해야 한다.
-인버터 개발 : 고속, 고용량의 스위칭 회로 설계 및 제어알고리즘 확립
-모터/인버터 온도해석 및 냉각시스템 설계
-시스템의 성능 및 내구성 Test

이런 기본 연구범위에서 다음과 같은 세부 연구를 수행하였다.

1). SmCo 조립형 모터 개발

고밀도의 영구자석을 사용하여 설계하였으나 다음과 같은 문제 발생
-Stress 문제
-보관중 retainer ring 파괴
-구성품의 제작&조립이 용이치 않음
-임펠라 등 기타 부품 조립후 Sub Critical Speed Area에서 동작 불가능 확인
-Retainer Ring 사용으로 인한 300HP급 모터 개발 가능성 희박
2). CrCoFe 일체형 모터 개발
금속성질을 갖고 있는 영구자석 재질로 강한 강도를 갖는다. 따라서 스트레스에 강하며, 간단한 회전자 구조로 300HP급 모터 개발 가능성 확인후 1차년도 계획을 백지화하고 다시 설계, 제작을 하였다. 따라서 CrCoFe영구자석재질에 대한 제작 방법 및 특성 파악에 대한 연구도 병행하였다. 그러나 다음과 같은 문제가 발생하였다.
-Brittleness
-미세한 내부 크랙의 전파
이러한 문제 때문에 샘플 회전자들이 50,000rpm에서 파손되었다. 이를 해결하기 위해 조립형 회전자를 착안하여, Bolting Type, Soldering Type, Welding Type등의 회전자 연구를 수행하였다.

Abstract ▼

The application of high speed turbo grade motors in various machine subsystems is becoming a popular technological field throughout the world. Among the most promising and challenging applications is for large capacity turbo compressors. Until recently, turbo compressors have been driven by low spee

The application of high speed turbo grade motors in various machine subsystems is becoming a popular technological field throughout the world. Among the most promising and challenging applications is for large capacity turbo compressors. Until recently, turbo compressors have been driven by low speed motor units through step up gears. Only recently has directly driven turbo compressor systems been produced in the smaller capacity grade. In this development work, a 130kW 70,000 rpm motor unit and drive system is attempted, with the added requirement that the rotor, attached directly to the compressor impellers must rotate in the sub-critical mode, i.e. the first critical frequency of the rotor/impeller system must be sufficiently higher than the operation rotation frequency.

With the success in the large scale commercialization of high capacity rare earth magnets such as Samarium Cobalt and Neodymium magnets, almost all development work with high performance motors has centered around these material. The present work also began with the design of such a motor with the first prototype produced in the early stages. The design was basically a conventional design with the magnets placed cylindrically along the center part of the rotor and a strong retainingring placed on the circumference to hold the magnets and help them overcome the high centrifugal forces. However, it was quickly discovered that there were unsurpassable barriers in designing sub-critical rotor of this configuration whose power is over 80~100kW at the target operating speeds.

A new innovative approach was taken by using CrCoFe magnets and constructing the rotor in one solid piece. This construction reduces the internal stresses to less than half of the stresses found in conventional rotor design and allows the rotor torotate in the sub-critical mode. Although this design concept was very promising, even making it theoretically possible to make300HP sub-critical rotors, one problems exists namely, the brittleness of the magnet material. Various work was carried out tosolve this problem including developing forging process to make the grain size smaller and more uniform, changing material composition, constructing the rotor by connecting many disks of CrCoFe, soldering the disks, and welding the disks. Although a final fully successful product was not constructed within the given time frame of this program, vast amounts of knowledge was gained and enough progress made to allow the commercial production of smaller power rotors(about 50~60kW or less). This rotor construction gives the added benefit of being simpler and cheaper to produce than conventional motors which use other magnet types. it is also more rugged due to its single piece construction.

In addition to the motor development, development of the inverter and controller was carried out and tested. Three basic constructions were made, the last being tested on a smaller motor but with similar pole frequency as the target specifications.
In conclusion, intensive research and development work was carried out in the area of high-power, high speed motors and inverter systems. Although the final target specifications were not reached in time, an innovative design construction which can beutilized immediately for smaller output power and further developed in the future to construct higher output systems was achieved.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...13
• 제 2 장 국내외 기술개발 현호아...15
• 제 1절 국내ㆍ외 관련기술 현황...15
• 제 2절 연구결과의 파급효과...16
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...17
• 제 1절 Bandaged Sm-Co 회전자형 모터...18
• 제 2절 Bandaged-less Cr-Co 형 모터...34
• 제 3절 제어 알고니즘 및 제어기 개발...52
• 제 4절 모터/컨트롤러 냉각시스템 개발...66
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...89
• 제 1절 연구개발목표 및 달성도...89
• 제 2절 관련분야의 기술발전 기여도...95
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...96
• 제 1절 추가연구의 필요성...96
• 제 2절 타연구에의 응용...96
• 제 6 장 참고문헌...97
• Appendix 1 SmCo형 Bandage 모터 설계...99
• Appendix 2 Turbo-Compressor(130kW, 70,000RPM) High-Speed Electric Drive...109
• Appendix 3 Turbo-Compressor(130kW, 70,000RPM) High-Speed Electric Drive(part two)...127
• Appendix 4 Turbo-Compressor(130kW, 70,000RPM) High-Speed Electric Drive(part three)...203
• Appendix 5 Technical Offer "Turbo Compressor with 300HP Power"...261
• Appendix 6 Inverter Schematic(PC-1, PC-2)...298
• Appendix 7 CrCoFe Rotor 재질 특성(7th, 9~15th Rotor)...314
• Appendix 8 11th(tie bolt type) rotor 인장시험 결과...325
• Appendix 9 모터/컨트롤러 냉각 시스템 개발...333