비장하 자동 선정을 통한 영구자석 동기전동기의 설계기법에 관한 연구

Abstract

최근 에너지 문제와 환경 문제가 대두됨에 따라 친환경 에너지에 대한 관심이 폭발적으로 증가하고 있으며 이에 따라 친환경 에너지변환 기기인 전동기에 대한 수요가 커지고 있다. 특히, 자동차 산업에서 HEV/EV에 대한 연구가 많이 이루어짐에 따라 상대적으로 출력밀도가 높고 광범위 운전이 가능한 PMSM에 대한 관심이 무척 높아졌다. 또한 용량대가 다양한 풍력발전기에서도 PMSM을 적용한 사례가 늘어나고 있으며 가전용 어플리케이션에서도 PMSM을 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 반면 이러한 전동기 수요에 대비하여 전동기를 개발할 수 있는 능력을 가진 곳은 그다지 많지 않으며 그마저도 기존의 전동기의 형상을 약간 바꾸거나 키워 요구사항을 맞추는 설계를 할 뿐이다. 즉, 요구사항이 주어진 경우 처음부터 전동기를 설계 할 수 있는 곳은 아주 드물며 대부분은 많은 시도를 통해서 원하는 사양을 만족하는 전동기를 설계하고 있다. 본 연구는 이러한 전동기 설계를 보다 쉽고 빠르게 접근하기 위해 가능한 경험식을 쓰지 않고 자동 비장하 선정을 통해 PMSM을 설계하기 위한 설계 알고리즘에 대한 것이다. 보다 정교한 설계 수식을 위해 영구자석 동기 전동기의 출력식을 수식전개를 통해 정확히 이끌어내었으며 전동기의 핵심 파라미터인 쇄교자속량과 인덕턴스에 대한 계산식을 자세히 다루었다. 특히 인덕턴스의 경우 비퍼미언스 파형을 이용하여 계산하도록 하였으며 비퍼미언스 파형을 해석적으로 구하는 방법을 제시하였다. 또한 본 논문에서 제시한 인덕턴스 계산식 및 쇄교자속 계산식을 사용해 응용에 따라 출력밀도를 향상시키기 위한 알고리즘과 운전범위를 키우기 위한 알고리즘에 대해 설명하였다. 마지막으로 예제를 통해 전동기를 설계 및 제작하였으며 실험결과를 설계치와 비교함으로써 연구결과의 타당성을 입증하였다.