초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
특수 차량은 어떤 특수한 활동에 적당한 차체와 장비를 갖춘 차량으로써, 본 연구에서는 특수 차량에 탑재된 소형 고성능 냉장·냉동기 구동을 위한 특수차량용 고효율 고성능 Spoke type IPMSG의 저진동 최적 설계 및 통합 제어 시스템 핵심 기술 개발을 목적으로 한다. 차량용 발전기는 특수 차량의 환경에 적합한 소형·경량화, 고효율화, 저비용 등이 요구된다. 이를 만족시키기 위해 본 연구에서는 단위 부피당 출력이 높은 Spoke type IPMSG를 차량용 발전기 시스템은 운전조건에 따라 발전기의

□ 연구의 목적 및 내용
특수 차량은 어떤 특수한 활동에 적당한 차체와 장비를 갖춘 차량으로써, 본 연구에서는 특수 차량에 탑재된 소형 고성능 냉장·냉동기 구동을 위한 특수차량용 고효율 고성능 Spoke type IPMSG의 저진동 최적 설계 및 통합 제어 시스템 핵심 기술 개발을 목적으로 한다. 차량용 발전기는 특수 차량의 환경에 적합한 소형·경량화, 고효율화, 저비용 등이 요구된다. 이를 만족시키기 위해 본 연구에서는 단위 부피당 출력이 높은 Spoke type IPMSG를 차량용 발전기 시스템은 운전조건에 따라 발전기의 회전속도가 급변하는 특성을 고려한 강인하고 안정적인 센서리스 알고리즘 개발과 발전기의 가변속 최적 출력 제어에 대하여 연구한다. 또한, 발전기 시스템 중요 요소인 배터리 충·방전 시스템의 손실 저감을 위한 절연형 컨버터의 구성 제안하고 급변하는 발전기 출력전압 변동에도 안정적인 알고리즘과 급변하는 부하변동에도 안정적인 고품질 단상 AC 출력 제어가 가능한 알고리즘을 연구한다.

□ 연구결과
가. 특수 차량용 발전기 Type별 설계 및 전자장 해석
1) 특수 차량용 발전기 Type별 설계 및 전자장 해석
가) 선행 연구된 3.5kW Nd-PM IPMSG의 성능 검토 및 설계
(1) 3.5kW Nd-PM IPMSG 설계 이론 정립
(가) 자기 회로 모델에 의한 간이 설계법 도출
나) Spoke type IPMSG 기본 특성 분석
(1) Spoke type IPMSG 설계 이론 정립
(가) Spoke type IPMSG의 전자기적 설계 이론 정립
(나) 유한 요소 해석 및 비교분석
다) Spoke type IPMSG 성능 비교 분석
(1) Nd-PM IPMSG와 Fe-PM IPMSG의 성능 비교 검토
(2) Fe-PM IPMSG의 형상 설계
(가) Fe-PM IPMSG의 회전자형상 설계
(나) Fe-PM IPMSG의 고정자형상 설계
라) 발전기의 최적 설계를 위한 이론정립
(1) Fe-PM Spoke type IPMSG의 최적화 설계
(가) Fe-PM 회전자 영구자석 및 고정자 형상 최적 설계를 위한 Parameter 선정
(나) 회전자 형상 최적화에 따른 특성 분석
(다) 고정자 형상 최적화에 따른 특성 분석
나. 발전기 제어용 컨버터 시스템의 최적 제어 알고리즘 개발을 위한 기본 이론 정립
1) 발전기 제어용 컨버터 시스템의 구성의 이론 정립
가) 다이오드 컨버터를 이용한 발전기 제어 시스템
나) 3상 PWM 컨버터를 이용한 발전기 제어 시스템
2) 발전기 제어용 컨버터 시스템의 구성에 따른 출력 비교 분석
가) 다이오드 컨버터 방식
나) PWM 컨버터 방식
다. 배터리 제어용 컨버터 시스템의 연구
1) 비절연형·절연형 컨버터의 기본이론 정립
(가) 비절연형 배터리 제어용 하프브리지 양방향 컨버터 설계
(나) 절연형 배터리 제어용 컨버터 기본이론 정립
(다) 절연형 양방향 DC/DC 컨버터 제어 알고리즘 개발
(라) 절연형 배터리 제어용 시스템 시뮬레이션 개발
라. Spoke type IPMSG의 진동 저감을 위한 최적 설계
1) 코깅토크 발생원인 및 저감방안 제시
가) 영구자석 스큐에 따른 코깅 토크 저감방안 제시
나) 회전자 형상에 따른 코깅 토크 저감방안 제시
2) Spoke type IPMSG 최적설계
가) Spoke type IPMSG 최적설계 과정
나) Spoke type IPMSG 최적설계
다) Prototype 제작 및 실험
마. 고효율 발전기 제어 시스템 핵심 기술 개발 연구
1) 발전기용 센서리스 제어 알고리즘 개발
2) 발전기 제어용 3상 AC-DC 부스트/약계자 컨버터 시스템의 최적 제어 알고리즘 개발
가) 발전기의 파라미터 변화에 따른 발전기 시스템의 특성 분석에 관한 연구
(1) 비선형 IPMSG의 모델링 개발
(2) 발전기 시스템의 DC링크 전압제어 알고리즘 개발
(3) IPMSG의 파라미터 변화에 따른 특성분석
(4) 진동 저감을 위한 토크 리플 보상 제어에 관한 연구
3) 절연형 인버터의 최적 제어 알고리즘 및 설계요소 연구
가) 단상 정현파 인버터 구조
나) 단상 정현파 인버터 제어
다) 단상 정현파 인버터 제어 알고리즘
4) 발전기 통합 제어 시스템의 상호 연계성 검토
가) 정상상태 운전특성 시험
(1) 무부하 조건 시험
(2) 풀부하 조건 시험
나) 과도상태 운전특성 시험
(1) 무부하 -> 1.5kW부하 변동시의 제어특성 시험
(1) 2kW-> 3.5kW부하 변동시의 제어특성 시험

□ 연구결과의 활용계획
가. 활용계획
현재 상용화된 시스템의 발전기는 유도기가 대부분 차지하고 있으므로 Spoke 타입 발전기로 대체한다면 시스템의 고효율, 저비용, 경량화가 가능할 것이다. 본 연구의 결과물인 3.5kW Spoke type IPMSG의 최적 설계법을 응용한 10kW, 15kW 발전기를 연구 개발에 활용할 계획이다. 또한, 기 개발된 발전기 제어 시스템을 응용하여 비상 운전을 위한 무순단 절체 제어 시스템에 관한 연구를 수행할 예정이다. 10kW 및 15kW 발전기 최적 설계 결과를 기반으로 하여 후속 연구 추진이 가능하다면 향후 연구를 지속적으로 진행할 것이다. 또한 비상 운전을 위한 무순단 절체 제어 시스템의 기본 설계를 통해서 입력 전력단의 병렬 운전 제어와 부하 측 돌입 전류 최소화 및 출력 전압 안정화에 대한 학술적 연구 결과를 도출할 계획이다.
나. 활용방법
본 연구에서 도출된 연구 결과물을 통해서 소형 특수차량뿐만 아니라 앰블런스, 소방차, 군용에서 비상전력 등 비상 전력이 필요한 환경에서의 적용이 가능하도록 검토 및 연구를 진행할 것이며 그에 따른 최적 설계와 최적 제어에 관한 연구를 통해 학문적인 기술 경쟁력을 확보할 예정이다.
(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose & contents
Special purpose vehicle is equipped with body and equipment suitable for a specific activity. In this study, we developed the core technology of low-vibration optimized design and integrated control system of high-efficiency high-performance spoke type IPMSG for special vehic

□ Purpose & contents
Special purpose vehicle is equipped with body and equipment suitable for a specific activity. In this study, we developed the core technology of low-vibration optimized design and integrated control system of high-efficiency high-performance spoke type IPMSG for special vehicles for small-sized high performance refrigerator and freezer.
Vehicle generators are required to be compact, lightweight, high efficiency, low cost, etc., suitable for the environment of special vehicles. In order to satisfy this requirement, Spoke type IPMSG, which has high output per unit volume, has been developed for the vehicle generator system in order to develop a robust and stable sensorless algorithm considering the rapid change of the generator rotation speed according to the operating conditions.
In addition, we propose the configuration of isolated converter to reduce the loss of battery charging and discharging system, which is an important element of generator system. We also study stable algorithm and stable high-quality single-phase AC output control algorithm even with fluctuating generator output voltage fluctuation.

□ Result
A. Design and electromagnetic analysis of generator type for special purpose vehicle
1) Design and electromagnetic analysis of generator type for special purpose vehicles
A) Performance evaluation and design of the conventional 3.5kW Nd-PM IPMSG
(1) Study theory of 3.5kW Nd-PM IPMSG.
(A) Derivation of simplified design method by magnetic circuit model
B) Analysis basic characteristics of Spoke type IPMSG
(1) Study theory of spoke type IPMSG
(A) Study electromagnetic theory of spoke type IPMSG
(B) Finite element analysis and comparative analysis
C) Comparison analysis Spoke type IPMSG performance
(1) Performance comparison between Nd-PM IPMSG and Fe-PM IPMSG
(2) Shape design of Fe-PM IPMSG
(A) Rotor shape design of Fe-PM IPMSG
(B) Stator shape design of Fe-PM IPMSG
D) Study about theory for optimal design of generator
(1) Optimization design of Fe-PM spoke type IPMSG
(A) Parameter selection for optimum design of Fe-PM rotor permanent magnet and stator shape
(B) Characteristic analysis by rotor shape optimization
(C) Characteristic analysis according to stator shape optimization
B. Basic theory for development of optimal control algorithm of converter system for generator control
1) Theoretical formulation of converter system for generator control
A) Generator control system using diode converter
B) Generator control system using three-phase PWM converter
2) Output comparison analysis according to the configuration of converter system for generator control
A) Diode converter method
B) PWM converter method
C. Research of converter control system for battery control
1) Basic theory of non-isolated and isolated type converter
(A) Half-bridge bidirectional converter design for non-isolated battery control
(B) Basic theory of converter control for isolated battery
(C) Development of isolation type bidirectional DC / DC converter control algorithm
(D) Simulation development of insulated battery control system
D. Optimum design for vibration reduction of spoke type IPMSG
1) Cause of cogging torque and suggestion of reduction plan
A) Suggestion of reduction of cogging torque by permanent magnet skew
B) Suggestion of reduction of cogging torque according to rotor shape
2) Spoke type IPMSG optimum design
A) Spoke type IPMSG optimum design process
B) Spoke type IPMSG optimum design
C) Prototype production and experiment
E. Development of high efficiency generator control system core technology
1) Sensorless control algorithm for generator
2) Development of optimal control algorithm for 3-phase AC-DC boost / weak field converter system for generator control
A) Study on the characteristics analysis of generator system according to generator parameters
(1) Modeling development of nonlinear IPMSG
(2) Development of DC link voltage control algorithm for generator system
(3) Characteristic analysis according to parameter change of IPMSG
(4) Study on torque ripple compensation control for vibration reduction
3) Optimal control algorithm and design factor of isolated inverter
A) Single phase sine wave inverter structure
B) Single-phase sinusoidal inverter control
C) Single phase sine wave inverter control algorithm
4) Interconnection of generators integrated control system
A) Steady-state operation characteristic test
(1) No-load condition test
(2) Full load condition test
B) Transient operating characteristic test
(1) No load -> 1.5kW Control characteristic test under load variation
(1) Control characteristic test when 2kW-> 3.5kW load fluctuation

□ Expected Contribution
I. Application plan.
Since the induction machine is mostly occupied in the generator of the commercialized system, if it is replaced with the spoke type generator, the system efficiency, low cost, and light weight will be possible. We plan to utilize 10kW and 15kW generators applying the optimum design method of 3.5kW Spoke type IPMSG, which is the result of this research, for research and development. In addition, we will carry out research on a non-synchronous control system for emergency operation by applying the developed generator control system. Based on the results of optimal design of 10kW and 15kW generators, further research will be continued if further research can be carried out. In addition, through the basic design of the non - discrete switching control system for emergency operation, we plan to derive academic research results on parallel operation control of input power stage, minimization of load side inrush current and stabilization of output voltage.
II. How to use
The research results obtained from this study will be reviewed and studied to make it possible to apply not only small special vehicles but also emergency power such as ambulance, fire truck and military and we will secure academic, technical competitiveness through research on optimal design and optimal control.
(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 84
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 85
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 86
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 86
• 8. 참고문헌 ... 87
• 9. 연구성과 ... 88
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 92
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 93
• 12. 기타사항 ... 94
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 95
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 110
• 끝페이지 ... 125