권선변경을 통한 영구자석형 동기전동기의 정출력 영역 확대 연구

Abstract

현재 전동기는 생활가전, 산업용 기계, 정보기기 등 기존 응용분야에 적용 확대는 물론이며, 자동차, 로봇, 군사용 무기 등 첨단 산업 분야의 신규 핵심 구동 부품으로 개발되고 있어 명실공히 반도체와 더불어 “산업의 쌀”이라고 할 수 있다. 전동기 응용이 광범위한 범위로 확대 사용되고, 산업의 고도화에 따른 적용 제품의 고성능화로 핵심 구동원으로서의 전동기는 고토크화와 고속화의 두 가지 특성을 충족시킬 것이 요구되고 있다. 기존에는 기어, 풀리와 같은 기계장치로 이와 같은 요구를 충족시켰으나, 소음/진동이나 내구성, 재료비 상승의 문제로 이를 대체하려는 연구가 진행되고 있다. 전동기의 동작영역 확대를 위한 방안으로 약계자 제어와 같은 제어적인 방법과 동작 시에 전동기 파라미터를 변경시켜 동작특성을 변경하는 전동기 설계적인 방법이 모색되고 있다. 본 논문에서는 동작 시에 고정자 결선 조건을 변경함으로써 영구자석형 동기전동기의 동작영역을 확대하는 방안에 대하여 기술하였다. 이를 위하여 인버터 외부에 스위치 온·오프 조건에 따라 전동기의 결선 조건을 변경할 수 있도록 전자 스위치를 설계하였다. 아울러 스위치 제어와 연계하여 전동기의 결선 조건이 용이하게 변경될 수 있도록 전동기 권선법을 제안하였다. 검토 모델은 세탁부터 탈수까지 광범위한 운전영역이 요구되는 세탁기 직구동용 영구자석형 동기전동기로 선정하였고, 각 변경된 결선 조건에 따른 전동기의 회전수-토크 특성을 유한요소법을 이용하여 해석하였고, 이를 통하여 적절한 결선 변경 포인트를 검토하였다. 끝으로 설계 결과물에 대하여 전동기 시제품과 권선 변경용 스위치를 제작하여 전동기의 토크-회전수 특성을 측정하여 전동기 동작영역 확대 가능성을 검토하였으며, 스위치 제어를 통하여 결선 변경을 확인하였다.