풍력발전기용 하이브리드 자속집중형 영구자석 동기발전기 설계

Abstract

NdFeB(Neodymium Iron Boron)와 같은 희토류 금속을 사용하는 PM(Permanent Magnet) 발전기 혹은 전동기들은 높은 출력밀도와 고효율의 장점을 가진다. 이런 이유에서 전세계에 설치되어 있는 많은 풍력발전기, 전기자동차용 전동기들은 희토류 영구자석을 사용하여 만들어졌다. 하지만 희토류 광물들은 이름에서 뜻하는 것과같이 지구에 있는 광물들 중 매우 희귀하고 따라서 높은 가격대를 형성하고 있다. 또한 특정지역(중국)에 편중되어 채굴이 되어지기 때문에 때에 따라서는 희토류 금속이 자원의 무기화로 사용되기도 한다. 실제 미국-중국과의 무역 전쟁 시에 이와 같은 일들이 일어나면서 전세계의 희토류 광물가격이 급등하기도 하였다. 이런 이유로 근래 희토류 금속을 적게 사용하거나 혹은 전혀 사용하지 않는 발전기에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 비희토류 영구자석을 사용하는 대표적인 사례는 저가의 페라이트를 사용하는 것이다. 희토류 영구자석 대비 낮은 자속밀도를 가지는 페라이트는 동등 성능을 확보하기 위하여 많은 양의 영구자석을 사용해야 했고 이런 이유로 가능한 회전자 깊숙히 많은 양의 영구자석을 삽입하는 스포크 타입의 회전자가 나오게 됐다. 본 논문에서도 희토류 금속대신, 페라이트 영구자석을 사용하는 스포크 타입 회전자의 소형동기발전기를 설계하고자 한다. 물론 스포크 타입은 전동기에서 많이 사용되어온 기술이지만 이를 발전기에 그대로 적용하게 된다면 높은 코깅토크로 인하여 초기 기동이 어려워지는 단점을 가진다. 따라서 본 논문에서는 회전자 코어의 내측, 외측 브릿지를 지그재그로 오픈시켜서 출력밀도는 기존 방식과 같이 유지하면서 코깅토크를 저감하는 하이브리드 스포크 회전자 방법을 제안한다. 이어서 제안된 발전기 설계 검증을 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 진행하면서, 2D 해석에서는 나타나지 않지만 3D 해석에서만 나타나는 부하 시 높은 전압변동률 발생 현상의 원인에 관하여 분석하였다. 그리고 제안된 페라이트 하이브리드 스포크 회전자를 적용하여 발전기를 설계하고 그 유효성을 입증하기 위해 2D, 3D 해석을 진행하였으며 최종적으로 발전기를 제작하여 방법의 유용성을 확인하였다.