Analysis of Transient Characteristics and Study on the Optimal Design for High Efficiency of Line Start Permanent Magnet Motor

Abstract

In this paper, we proceeded with the transition state analysis of the Line Start Permanent Magnet Motor (LSPM) and the optimal design for high efficiency. In recent years, energy and environmental problems have deepened, and various environmental regulations and carbon neutrality policies have been enforced. Under these circumstances, industrial induction motors use more than 50% of domestic electricity production. In an industrial induction motor, a current is induced in an aluminum bar on the secondary side by a rotating magnetic field to generate a force, and the motor rotates with a constant slip in the rotating magnetic field. Therefore, copper loss on the secondary side occurs, and the efficiency is lower than that of a general Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). In the case of PMSM, there is no copper loss on the secondary side, there is a permanent magnet, and it is possible to increase the output, but it is impossible to drive without an inverter, so the price is high due to the inverter. In the case of LSPM, there is an aluminum bar on the secondary side and a permanent magnet is inserted. Since it is started by the aluminum bar at startup, it can be directly driven without an inverter, and after a certain period of time, it rotates at the synchronous speed by the permanent magnet, so in theory, copper loss occurs in the secondary aluminum bar at the synchronous speed. do not. Further, since a permanent magnet is inserted, there is an advantage that the output density is increased as compared with a general induction motor. However, there is a transient state due to the influence of the aluminum bar and the permanent magnet, and the starting characteristics of the motor change due to such a transient state. Therefore, we will analyze such transient conditions and replace industrial induction motors that use 50 [%] or more of domestic electricity production with LSPM to improve efficiency. As for the efficiency standard, we will proceed with the optimum design to achieve the super premium (IE4) class efficiency, which is the efficiency standard described in the international standard IEC 60034-30.|본 논문은 Line Start Permanent Magnet Motor(LSPM)의 과도상태 분석 및 고 효율화를 위한 최적설계를 진행하였다. 최근 에너지와 환경 문제가 심화되면서 각종 환경 규제나 탄소 중립 정책 등이 시행되고 있다. 이러한 상황에서 국내 전기 생산량의 약 50[%]이상을 사용하고 있는 것은 산업용 유도모터이다. 산업용 유도모터는 회전자계에 의해 2차 측 알루미늄 바에 전류가 유도되어 힘을 발생시켜 회전자계에 일정한 슬립을 가지고 회전 을 하게 된다. 따라서 2차 측 동손이 발생하여 일반 Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)보다 효율이 떨어지게 된다. PMSM의 경우 2차 측 동손이 없고 영구자석이 존재하여 고 출력화가 가능 하지만 인버터가 없이는 구동이 불가능하기 때문에 인버터에 의해서 가격이 비싸진다. LSPM의 경우 2차 측에 알루미늄 바가 존재하고 영구자석이 삽입되어 있 다. 기동 시 알루미늄 바에 의해서 기동이 되기 때문에 인버터 없이 직입 구 동이 가능하고 일정 시간이 지나면 영구자석에 의해서 동기속도로 회전하기 때문에 이론상으로 동기속도에서 2차 측 알루미늄 바에 동손이 발생하지 않 는다. 또한 영구자석이 삽입되어 있기 때문에 일반 유도 모터보다 출력밀도를 높일 수 있는 장점이 있다. 하지만 알루미늄 바와 영구자석에 의한 영향으로 과도상태가 존재하게 되고 이러한 과도상태에 의해서 모터가 기동 특성이 달 라진다. 따라서 이러한 과도상태를 분석하고 국내 전기 생산량의 50[%]이상 을 사용하는 산업용 유도모터를 LSPM으로 대체하여 고 효율화를 진행한다. 효율의 기준은 국제 규격인 IEC 60034-30에 기재 되어 있는 효율 규격인 슈 퍼프리미엄(IE4)급 효율을 달성하기 위해서 최적 설계를 진행한다.