Design of Flux Modulation Stator-PM Machine for Two Mode Operations

Abstract

근래, 높아지는 효율 기준과 유지 보수 기준에 맞는 고효율, 고성능 기기의 개발에 연구가 집중되고 있다. 이를 위한 고효율 기기 개발의 가장 간단한 방법은 입력 값을 낮추고 출력 값을 높이는 것이다. 그러나 이를 현실에서 구현하기에는 쉽지 않다. 고효율, 고성능 기기의 실현을 위하여, 근래에 다양한 형상을 지닌 변조 자속 영구자석형 기기 들이 끊임없이 연구되고 있다. 연구의 원동력은 변조 자속 영구자석형 기기가 기본 자속과 변조 자속의 동시 활용으로 기기 성능 향상을 꾀할 수 있다는 사실로부터 비롯된다. 이러한 기기들은 통상 기기들과 다르게 고토크 저속도 영역에서 훌륭한 성능을 가진다. 한편, 변조 자속 고정자 자석형 기기에 대한 연구도 활발히 이루어 지고 있다. 고정자 자석형 기기는 영구자석이 없는 회전자 설계가 가능하며, 이에 따라 기기의 내구성과 기대 수명이 증가시킬 수 있다. 본 논문에서는 변조 자속 영구자석형 기기 개발의 경향성을 소개하고, 이중 모드 구동을 위한 새로운 구조의 변조 자속 고정자 자석형 기기를 제안한다. 먼저, 최근 개발된 변조 자속 영구자석형 기기들에 대해 분류하고 설명한다. 특히, 변조 자속 영구자석형 기기들의 한계점과 그것에 대응하는 해결 방안으로써 제시되어 온 연구 결과들을 설명한다. 그 후, 본 논문에서 제안하는 기기의 새로운 시스템 형상과 새로운 기기 형상을 각각 소개한다. 소개된 형상들은 결합되어 고효율, 고성능의 저속 고토크 모드와 고속 저토크 모드 구동이 가능하도록 설계된다. 제안된 기기는 이전에 개발된 다른 변조 자속 기기들의 한계점을 개선한다. 제안된 기기 형상을 시스템 관점과 기기 관점으로 각각 상세히 설명한다. 시스템 관점에서 보면, 제안된 기기는 dual electrical port-dual mechanical port 를 활용하여 이중 모드 구동을 가능하도록 구현한다. 제안된 기기는 비 자성체 배리어를 활용하여 두 개의 기기 Machine I 과 II 로 분리된다. Machine I 과 II 는 각각 저속 고토크 모드와 고속 저토크 모드를 담당한다. 각 기기가 각 모드에 가장 적합하도록 설계되며, 이에 따라 각 모드 구동은 서로에게 구애되지 않고 고효율, 고성능 가진다. 기기 관점에서 보면, 제안된 기기는 고정자 자석형 형상을 활용하여 강건한 구조의 회전자를 실현한다. 특히, Machine I 은 저속 고토크 모드 구동에서 버니어 효과를 활용한 Vernier stator-PM 형상으로 고토크, 고효율 특성이 실현된다. 제안된 기기는 이러한 시스템과 기기 형상들의 결합으로 종래 변조 자속 영구자석형 기기의 한계점을 극복하며 성능 향상을 실현한다. 제안된 기기의 설계, 해석, 및 최적화 과정을 상세히 설명한다. 설계 과정에서 각 모드에 적합한 설계를 위해 장하분배법을 활용한다. 해석 과정에서는 분석적 방법과 유한요소법을 활용한 방법 두 가지를 활용하여 해석한다. 최적화 과정은 특정 수순을 피드백 함으로써 이루어진다. 최적화 과정에서 모델 샘플링은 라틴 하이퍼 큐브 샘플링을 통해, 목적함수 근사화는 크리깅 기법을 통해, 그리고 최적 값을 찾는 방식으로는 유전 알고리즘이 활용된다. 마지막으로 최적 설계 결과에 대한 타당성 검증을 위해 최적 모델에 대한 시작품이 제작되었다. 제작된 시작품과 실험을 위한 기기 설치 과정을 설명한다. 무부하 및 부하 실험을 통해 기기의 역기전력, 입력 전류, 토크 등을 측정하였으며, 해석된 값에 부합하는 것으로 확인되었다.; In this thesis, the author proposes and explains a novel flux modulation stator-PM machine designed for two mode operations. To introduce the flux modulation PM machines, previously suggested flux modulation PM machines are presented in advance. Especially, limitations, and solutions for the flux modulation PM machines are explained. Subsequently, a novel structure of flux modulation stator-PM machine which resolves the defects of previous flux modulation machines is proposed. Proposed machine was described by its system topology and machine topology. From the system topology view, the dual electrical port-dual mechanical port structure realized two mode operations system. Each mode, high torque low speed mode and low torque high speed mode, is assigned to each machine Machine I, and Machine II. Hence, most suitable design for each mode is realized thus high performance at both modes is achieved. From the machine topology view, robust rotor is realized thanks to the stator-PM topology. Especially, Machine I achieved high torque performance in high torque low speed mode by Vernier stator-PM topology. With the combination of proposed system topology and machine topology, proposed machine achieved high performance in two mode operations. The design, analysis, and optimization process of the proposed machine are described in order. Design process utilizes load distribution method. To achieve high efficiency, relatively high magnetic load is applied. In the optimization process, multiple steps are executed to find the optimum design. Latin hypercube sampling is used to sample the models, Kriging method is used for approximation, and Genetic algorithm is applied to find the optimal design. Prototype build process and experiment setup is presented to demonstrate the experiment process. One integrated machine containing two differently designed machines and one non-magnetic barrier sandwiched in between two machines was built. Experiments on the basic machine performance, back-EMF and torque were measured under no-load and load condition. Finally, experimental results and FE analysis results were compared and discussed.