자기적 평형과 고정자 동손 최소화 조건을 이용한 단상 직입 구동형 영구자석 동기전동기의 최적설계

Abstract

본 논문은 자기적 평형과 고정자 동손 최소화 조건을 이용한 단상 직입 구동형 영구자석 동기전동기 (single-phase line start permanent magnet synchronous motor, 이하 “단상 LSPM 동기전동기”)의 최적설계에 관한 연구이다. 단상 LSPM 동기전동기의 설계에 있어서 중요한 특성인 효율, 최대토크 및 기동특성을 고려한 최적설계방법을 제안하며 다음과 같이 3단계로 구분하여 최적설계를 수행하였다. 단상 LSPM 동기전동기의 효율을 개선하기 위하여 자기적 평형운전과 고정자 동손의 최소화 조건을 결합시킨 조건을 유도하였다. 일반적으로 단상 LSPM 동기전동기의 경우에는 고정자 권선에서 발생하는 불평형자계로 인하여 불평형 회전자계가 발생하여 역상분요소가 존재한다. 이는 정상상태 운전시의 토크리플의 원인이 되는 동시에 회전자의 알루미늄 도체와 영구자석에서의 와전류 손실을 발생시켜 효율을 저하시키는 문제점이 있다. 평형운전조건을 적용하면 역상분요소가 제거되어 회전자동손이 사라지고 전동기의 출력에 기여하는 정상분 요소만 존재하기 때문에 효율개선 효과를 얻을 수 있다. 그리고 고정자 동손을 저감하기 위하여 고정자 동손 최소화 조건을 유도하였으며 이를 평형운전조건과 결합하여 두 조건을 동시에 만족하는 권선의 제원과 운전커패시터 값을 얻음으로써 추가적인 효율 개선효과를 기대할 수 있다. 또한 최대 정격효율을 목적으로 하여 주권선 권수 변동에 따른 효율특성을 분석하였으며 최대의 정격효율을 갖는 효율최대화 모델을 설계하였다. 단상 LSPM 동기전동기의 최대토크를 고려하기 위하여 자기적 평형과 고정자 동손 최소화 조건을 기반으로 하여 등가회로해석을 수행하였다. 설계변수로는 유효권수비와 주권선의 권수비로 각각 결정하였다. latin hypercube sampling(LHS)를 이용하여 실험계획법을 수행하였고, radial basis function(RBF)를 이용하여 근사화 모델링을 수행하였다. 목적함수는 정격효율의 최대화이며 제약조건은 최대토크로 선정하였다. 목적함수와 제약조건을 만족하는 주권선과 보조권선의 선경과 권수, 운전커패시터의 값을 genetic algorithm(GA)를 이용하여 설계변수들의 최적 값을 탐색하였으며 최대토크를 고려한 전동기의 제원을 도출하였다. 단상 LSPM 동기전동기의 기동특성을 고려한 최적설계를 수행 하였다. 단상 LSPM 동기전동기의 기동특성은 단상 유도전동기의 특성과 동일하기 때문에 회전자의 저항 값을 증가시키면 기동특성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 이를 위하여 회전자에서의 설계변수로는 회전자 바의 면적과 엔드링의 길이로 각각 선정하였으며 유한요소해석을 수행하였다. 목적함수는 기동토크의 최대화이며 제약조건은 최대토크이다. LHS를 이용하여 실험계획법을 수행하였고, RBF를 이용하여 근사화 모델링을 수행하였다. 목적함수와 제약조건을 만족하는 회전자 바의 면적과 엔드링의 길이에 대한 제원을 GA를 이용하여 얻었다. 이를 통하여 효율, 최대토크 및 기동특성이 고려된 단상 LSPM 동기전동기의 최적설계모델의 제원을 도출하였다. 최적모델의 설계결과 기본모델 대비 효율, 최대토크 및 기동특성이 증대되는 효과를 얻었다. 최종적으로 최적모델을 제작하고, 실험함으로써 효율, 최대토크 및 기동특성이 고려된 단상 LSPM 동기전동기의 최적설계방법의 타당성을 검증하였다.