고속 영구자석 동기 전동기의 운전 안정성 확보를 위한 구동 손실 및 열전달 특성 분석

Abstract

자동차 및 사출기, 기계 가공기 등에 적용되는 내연기관 및 유압기기를 대체하기 위하여 전동기에 대한 소형화 및 고효율화의 필요성이 증가되고 있으며 영구자석을 장착한 고속 전동기에 대한 관심이 증가하고 있다. 연속 및 순시 운전 영역에서 전동기 코일 온도가 허용 온도 상승값보다 낮게 유지되어야 전동기의 운전 안정성을 확보할 수 있다. 고속 영구자석 동기 전동기는 기존의 전동기와 달리 영구자석에 의한 철손실이 매우 크기 때문에 이에 따른 온도 변화 특성이 다르므로 철손실에 대한 정확한 분석이 필수적이다. 그러나 기존 연구는 자속 밀도를 해석하고 자속 밀도 및 변화 주파수에 따라 철손실을 계산하여 전동기의 온도를 해석하고 실험을 통하여 측정한 온도와 비교하여 검증하였기 때문에 철손실이 전동기 입력 전류 등에 미치는 영향을 파악할 수 없으므로 철손실이 지배적인 전동기 온도를 정확하게 예측할 수 없다. 본 연구에서는 서로 다른 세가지 전기 강판을 이용하여 제작된 고속 영구자석 동기 전동기의 운전 안정성 확보를 위하여 토크 및 회전 속도에 변화에 따른 손실과 온도 특성을 실험을 통하여 분석하고 손실 저감 및 효율 개선 효과를 규명하였다. 표준 전동기와 모형 전동기, 단열 전동기를 제작하여 전동기의 연속 운전 영역 내에서 구동 손실을 기계 손실, 코일 동손실 그리고 철심 철손실로 나누어 측정하고 코일 온도를 시간 변화를 고려하여 측정함으로써 전동기 열전달 모델링을 제안하였다. 특히 단열 전동기를 이용한 실험을 통하여 전동기 고정자를 통한 열저항을 측정함으로써 회전자를 통한 열저항을 정확하게 계산하였다. 전동기 기계 손실을 측정하여 분석한 결과, 회전 속도 증가에 따라 기계손실은 선형적으로 증가하므로 마찰 토크는 일정함을 알 수 있었다. 기존의 연구에서 회전 속도 증가에 따른 토크 손실 증가의 원인이 기계손실인 점성 손실로 정의함에 비하여 본 논문에서는 철손실 증가가 원인임을 제시하였고 저손실 강판을 적용한 전동기의 경우에 회전 속도 증가에 따른 토크 손실이 적음을 통하여 이를 증명하였다. 제안한 열전달 모델링으로 무부하시 과속도 영역에서의 코일 수렴 온도를 해석하고, 실험을 통하여 측정한 결과와 비교하여 최대 6.4% 이내 오차로 잘 일치함을 통하여 제안한 열전달 모델링이 과속도 영역까지 적용 가능함을 검증하였다. 연속 운전 영역에서 측정한 손실을 기반으로 순시 운전 영역에 대하여 회전 속도 및 부하율 변화에 따른 동손실과 철손실의 변화 경향을 분석하고 추정하였다. 회전 속도 증가에 따라 철손실이 선형적으로 증가하고 이에 따라 입력 전류와 동손실이 증가하는 것을 알 수 있었다. 순시 운전 영역에 대하여 제안한 열전달 모델링과 상용 열해석 프로그램으로 세가지 전기 강판을 적용한 전동기 코일 수렴 온도를 해석하고 저손실 강판의 철손실 저감 효과를 분석하였다. 고정자 철심 재질로 15HTH1000을 적용한 전동기는 기존에 주로 사용되는 35PN440을 적용한 전동기에 비하여 부하율 1.0, 회전 속도 0.9일 때 동손실 9.5%, 철손실 31.0%을 저감할 수 있고 무차원 코일 수렴 온도를 28.5% 낮출 수 있었다. 무차원 코일 수렴 온도 1.0을 기준으로 부하율 1.0일 때 회전 속도와 출력을 54.7% 향상시킬 수 있고 회전 속도 0.9일 때 부하율과 출력을 63.9% 향상시킬 수 있다는 결론을 도출하였다. 그리고 연속 운전 영역, 비정상상태에서 코일 온도 변화를 실험을 통하여 측정하여 열해석 프로그램으로 해석한 결과와 비교하였고 코일 수렴 온도 차이가 발생하여도 온도 상승 시정수는 비교적 일정함을 알 수 있었다.