직류 자화 코일을 이용한 Consequent Pole Changing Vernier Machine의 다중 모드 운전

Abstract

세탁기용 전동기의 경우 저속(세탁)모드와 고속(탈수)모드, 두 가지의 모드를 필요로 한다. 영구자석 동기전동기는 고속에서 고효율을 가지고 있지만 저속에서는 저효율을 가지고 있으므로 영구자석 동기전동기로 탈수 모드를 진행하는 것은 바람직하나, 세탁모드를 진행하는 것은 바람직하지 않다. 이에 반하여 버니어 머신의 경우 저속에서 고효율을 가지고 있기 때문에 세탁모드를 진행하기에 적합하다.

이에 따라 두 개의 전동기를 사용하는 효과를 갖는 하나의 전동기 개발 연구가 진행된다. 먼저 개발된 기존 단방향 가변 자속기기인 메모리 머신은 자속을 가변 시켜 극수를 변경할 수 있어 넓은 속도 영역을 가질 수 있다. 이후 추가적인 연구들이 진행되어 더 넓은 속도 영역을 가진 하이브리드 메모리 머신이 제안된다. 하이브리드 메모리 머신은 양방향의 가변자속 기기로 보자력이 낮은 LCF PM(Low Coercive Force Permanent Magnet)와 HCF PM(High Coercive Force Permanent Magnet) 사용한다. 이 기기는 극 변환 전류를 사용하여 LCF PM의 착자 방향을 바꾸어 극수를 바꿀 수 있다. 이에 따라 기존의 메모리머신보다 더 넓은 속도 영역을 가질 수 있으나 기존의 버니어 머신이나 영구자석 동기전동기에 비하여 특정한 속도 영역에서의 성능이 좋지 않다.

이러한 단점들을 보안하기 위해 본 연구실에서 최초로 제안한 모드변경이 가능한 PCVM(Pole Changing Vernier Machine)이 제안 된다. PCVM은 앞서 설명한 버니어 머신과 영구자석 동기전동기의 장점을 모두 가지고 있다. LCF PM의 착자 방향을 바꾸어 극수를 바꿀 뿐만 아니라 극수가 바뀜에 따라 두 가지의 다른 운전 모드, 버니어 머신 모드와 영구자석 동기전동기 모드로 동작을 할 수 있다.

PCVM의 극 변환 제어의 어려움에 대한 개선을 위해, CPCVM(Consequent Pole Changing Vernier Machine)이 제안되었다. CPCVM은 기존의 PCVM에 Consequent Pole을 적용시킨 모델이며 LCF PM과 HCF PM의 절반이 철심으로 대체된 형상을 가지고 있다. 대체된 철심에 의해 극간의 간격이 멀어지며 극 변환 용이해 진다. 하지만 서로 다른 영구자석 사용으로 인한 의도치 않은 감자 문제를 해결해야하며 자석 사용량의 감소에 따른 토크의 성능 저하가 나타난다.

따라서 본 논문에서는 부족한 토크를 보완하면서 더욱 넓은 속도 영역을 가지는 다중 모드를 위한 직류 자화 코일을 이용한 CPCVM을 제안하였다. 제안된 모델은 기존의 CPCVM에서 직류 자화 코일을 추가하여 설계했다. 직류 자화 코일을 이용한 착감자는 기존 CPCVM에서 순간 전류 펄스를 이용하여 착감자를 하는 방식보다 더욱 용이하다. 또한, 직류 자화 코일을 사용하여 버니어 머신 모드와 영구자석 동기전동기 모드뿐만 아니라 Flux Enhancing과 Flux Weakening을 추가하여 부족한 토크를 보완하고 더욱 넓은 운전 속도 영역을 가능하게 한다. 이를 보여주기 위해 LCF PM의 착감자 제어를 진행하여 각 모드의 특성해석을 진행하고 버니어 머신 모드에 Flux Enhancing을 적용하여 토크가 향상 되고 영구자석 동기전동기 모드에 Flux Weakening을 적용하여 더 넓은 속도 영역을 가질 수 있음을 특성해석을 통해 증명한다. 최종적으로 제안된 모델이 세탁기용 전동기로서 적합성을 확인하기 위해 상용 세탁기 전동기와 성능 비교를 진행한다.