초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
1. 1차년도
① 개발목표
7.5[kW], 60[krpm] 고속 전동기 설계/제작 기술개발 (1차 기술검증 모델)
② 개발내용 및 개발범위
○ 고속 전동기 설계 및 특성해석
- 고속 전동기 전자계 시스템 설계 (영구자석, 권선, 슬롯)
- 고속 회전체 및 구조 설계 (윤활, 회전축)
- 냉각설계 및 열분석
- 전동기 정특성 및 동특성 시뮬레이션 (전압, 전류, 토크, 온도)
○ 영구자석 회전자 착자요크 설계 및 특성해석
○ 고속 전동기 시험장치

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
1. 1차년도
① 개발목표
7.5[kW], 60[krpm] 고속 전동기 설계/제작 기술개발 (1차 기술검증 모델)
② 개발내용 및 개발범위
○ 고속 전동기 설계 및 특성해석
- 고속 전동기 전자계 시스템 설계 (영구자석, 권선, 슬롯)
- 고속 회전체 및 구조 설계 (윤활, 회전축)
- 냉각설계 및 열분석
- 전동기 정특성 및 동특성 시뮬레이션 (전압, 전류, 토크, 온도)
○ 영구자석 회전자 착자요크 설계 및 특성해석
○ 고속 전동기 시험장치 설계
○ 시작품 제작
- 착자요크 제작
- 전동기 프레임 설계 및 제작
- 고속 전동기 1차 시작품 제작(7.5[kW], 60[krpm] AFB 적용)
○ 고속 전동기 1차 시작품의 기본 파라메터(저항, 인덕턴스, 무부하 기전력) 평가
○ 고속 전동기 1차 시작품의 부하특성평가
- 속도, 토크, 전압, 전류, 효율
- 발열량 평가
- 냉각구조 설계
2. 2차년도
① 개발목표
10[kW], 120[krpm] 고속 전동기 설계/제작 기술개발(AFB 기술검증 모델)
② 개발내용 및 개발범위
○ 10[kW], 120[krpm] 전동기 설계 및 특성해석 및 제작
- 속도, 토크, 전압, 전류, 효율
- 발열량 평가
- 120[krpm]급 Air-foil베어링 설계 및 제작
- 영구자석 회전자 착자
- 단품(권선, 고정자, 회전자, 영구자석, 프레임) 가공 및 제작
○ 고속 전동기 시험장치 제작
○ 2차 시작품 기본 성능시험
- 속도, 토크, 전압, 전류, 효율
○ 10[kW], 120[krpm] 전동기 시스템 성능 시험
- 속도, 토크, 전압, 전류, 효율 측정 및 평가
- 열상승 시험 및 평가
- 진동 시험 및 평가
3. 3차년도
① 개발목표
15[kW], 120[krpm] 고속 전동기 설계/제작 기술개발(최종 개발 모델)
② 개발내용 및 개발범위
○ 15[kW], 120[krpm] 전동기 설계 및 특성해석
- 전자계 최적설계 및 동특성분석
- 손실평가 및 냉각구조 설계/분석
- 초고속용 Radial/Thrust AFB 설계/제작
○ 15[kW], 120[krpm] 전동기 제작
○ 수요업체와 공동 성능 시험
- 속도, 출력, 전압, 전류, 효율
- 열상승 및 진동시험

Abstract ▼

There is increasing interests in ultra high-speed motors and generators in industry applications such as micro gas turbines, compressors, blowers, pumps, hybrid electric vehicles, turbo molecular pumps, machine tool spindle drives, information storage disk drives and etc.
The trend for air-compre

There is increasing interests in ultra high-speed motors and generators in industry applications such as micro gas turbines, compressors, blowers, pumps, hybrid electric vehicles, turbo molecular pumps, machine tool spindle drives, information storage disk drives and etc.
The trend for air-compressors and miniature gas turbine generator sets is towards smaller power ratings and with the scaling of turbomachinery therefore towards higher speeds.
The definition of super-high-speed electrical machines is dependent on the required power level and the rated speed of the machine. Extrapolating the turbo-machinery line predicts the operating range for ultra-high-speed drive systems as having speeds from 100000 to 1 million rpm and power levels between 10 W and 3 kW.
Micro gas turbines with tens of kW of power that have direct connected high speed permanent magnet (PM) generators/starters delivering 10 to 100 kW are becoming more prevalent, for example, the Capstone micro gas turbine operates at 90000 rpm with a power output of 30 kW. Several international research groups are investigating ultra-micro gas turbines with power outputs up to a 100 W for use in portable power applications. For compressor systems the power and speed trends are similar to the turbines. One application of this project is a fuel cell air compressor that requires 120000 rpm at 15 kW and another is a 70000 rpm, 131 kW turbo compressor connected to a PM machine and an inverter.
Future automotive fuel cells will require low-power compressors which are small and lightweight and directly driven by high-speed electrical drives. All these emerging applications require an ultra-high-speed electrical drive system. The complete drive system is basically composed of three main parts.
First, there is the electro-mechanical part, the permanent-magnet synchronous machine. The main challenges are the mechanical rotor design and the machine loss minimization. These main parts of the system are described in this project and an experimental setup and measurements are presented.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 최종보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 10
• 목 차 ... 11
• 제 1 장 서론 ... 12
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 12
• 1. 기술적 측면 ... 12
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 14
• 3. 정책적 측면 ... 15
• 제 2 절 국내 • 외 관련 기술의 현황 ... 17
• 1. 국외기술현황 ... 17
• 2. 국내기술현황 ... 18
• 3. 특허현황 ... 19
• 4. 현 기술상태의 취약성 ... 26
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 • 경제적 파급 효과 ... 27
• 1. 기술적 측면 ... 27
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 27
• 3. 정책적 측면 ... 27
• 4. 활용방안 ... 27
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 28
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 28
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 28
• 제 3 장 결과 및 향후 계획 ... 33
• 제 1 절 연구개발 결과 ... 33
• 1. 15 kW, 120,000 rpm 초고속 영구자석 전동기 시스템 설계 개요 ... 33
• 2. 전동기의 설계 ... 35
• 3. 공기 베어링 설계 ... 51
• 4. 시작품 제작 ... 55
• 5. 시제품 시험 평가 ... 64
• 6. 결 론 ... 75
• 7. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 75
• 제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 76
• 제 3 절 차기 단계 계획 ... 78