A Study on the High Efficiency of Permanent Magnet Pole-Changing Machine for Variable Speed Application

Abstract

최근 연료의 가격 변동과 천연자원의 한정된 수량, 지구 온난화 등 환경 문제에 대한 우려가 높아지고 있다. 이로부터 비롯된 에너지 절약 문제를 해결하기위해 여러 국가에서 모터의 효율 관리를 위한 최저 효율 규제를 만들고 점점 효율 기준을 높여가면서 고효율 모터에 대한 수요는 계속해서 증가되고 있다. 또한 환경 문제가 전 지구적인 문제로 대두되면서 온실가스 배출에 주범이 되는 자동차, 항공기 등의 전동화가 추진되고 있다. 현재 사용되는 대부분의 고효율 모터는 영구자석형 동기기로 높은 토크 밀도와 효율성을 갖지만 일정한 자속밀도로 인해 속도 범위가 제한된다. 이러한 영구자석형 동기기의 한계를 극복하기 위해 영구 자석의 잔류 자속밀도(Br)을 비교적 쉽게 변경할 수 있는 보자력이 낮은 영구자석을 사용한 영구자석 극 변경 기기가 연구되었다. 영구자석 극 변경 기기는 보자력이 낮은 영구자석과 보자력이 높은 영구자석을 함께 사용하여 보자력이 낮은 영구자석의 착자 방향을 변경함으로 회전자 극 수를 변경한다. 이로 인해 저속에서는 버니어 기기의 극 수를 만족하여 버니어 기기의 장점인 높은 토크를 제공하고, 고속에서는 동기기의 극 수를 만족하여 동기기의 장점인 높은 효율을 제공한다. 영구자석 극 변경 기기의 회전자 극 수를 변경하기 위해 보자력이 낮은 영구자석의 Br을 변경하는 과정이 필요하다. +Br을 -Br로 또는 -Br을 +Br로 변경할 수 있는 크기의 전류 펄스로 자기장을 형성하여 보자력이 낮은 영구자석의 착자 방향이 반대로 변경되므로 기기의 회전자 극 수를 변경한다. 이때 기기 내부에서 생성되는 자기장의 크기가 작아 Br이 최대값 |Brm|에 도달하지 못하면 기기의 전체 자속 밀도가 낮아져 목표 토크를 달성하기 위한 정격 전류의 크기가 커지므로 동손이 증가하게 되어 효율이 낮아지는 문제가 발생한다. 따라서 보자력이 낮은 영구자석의 Br을 변경하여 회전자 극 변경을 이용하는 영구자석 극 변경 기기는 높은 효율을 위해 극 변경 과정에서 보자력이 낮은 영구자석이 최대값 |Brm|을 얻어야 한다. 본 논문에서는 가변 속도 적용을 위한 영구자석 극 변경 기기의 고효율 연구를 제안한다. 기존의 영구자석 극 변경 기기에서 연구되지 않은 저보자력 영구자석의 Br을 고려한 설계를 제안하여 버니어기기 모드에서는 +Brm, 동기기 모드에서는 -Brm을 얻어 효율성을 향상시켰다. 또한 극 변경을 이용하여 하나의 구조에서 두 개의 기기 특성을 갖는 영구자석 극 변경 기기의 전체 운전 효율을 더욱 향상시키기 위해 다중목적 최적화를 수행하였다. 이때 최적화 모델의 전체 운전 효율을 검증하기 위해 다중목적 최적화의 목적으로 저속(세탁)과 고속(탈수)의 뚜렷한 두 가지 운전 모드를 갖는 세탁기 특성을 사용하고, 일반적으로 사용되는 동일한 사양의 세탁기 용 모터와 성능 비교를 수행하였다. 따라서 영구자석 극 변경 기기는 Br을 고려한 설계와 다중목적최적화로 가변 속도 범위에서 고효율을 달성하였다. |Recently, there has been a growing concern about issues such as fluctuations in fuel prices, limited quantities of natural resources, and global warming. The demand for high-efficiency motors, stemming from this, continues to increase as several countries introduce and consistently strengthen minimum efficiency regulations for motor management to address energy-saving issues. Moreover, the electrification of vehicles such as cars and airplanes, which are major contributors to greenhouse gas emissions, is being promoted as environmental issues are increasingly recognized as global concerns. Most high-efficiency motors currently in use are Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs), offering high torque density and efficiency. However, their speed range is limited due to due to the consistent magnetic flux density of the Permanent Magnet (PM). PM Pole-Changing Machine (PM-PCM) has been researched to overcome the limitations of PMSM by using a Low Coercive Force (LCF) PM that allows for relatively easy changes in the residual magnetic flux density (Br) of PMs. The PM-PCM uses High Coercive Force (HCF) PM and LCF PM on the rotor for pole-changing. The number of rotor poles of the PM-PCM is changed by forming a magnetic field with a current pulse of sufficient magnitude, capable of reversing the magnetization direction of LCF PM from +Br to -Br or from -Br to +Br. The magnetic flux density of the machine decreases if the magnitude of the generated magnetic field is insufficient to reach the maximum value |Brm| for Br of LCF PM. Consequently, efficiency decreases as copper losses increase due to the rising input current required to achieve the target torque. Therefore, the high efficiency of PM-PCM is achieved when the Br of the LCF PM reaches its maximum value |Brm| after pole-changing. In this thesis, the high efficiency of PM-PCMs for variable-speed applications is proposed. Through a design that considers the Br of LCF PM, which has not been previously studied in the conventional model, efficiency is enhanced by obtaining Brm in PMVM and -Brm in PMSM. Additionally, multi-objective optimization was performed to enhance further the total operation efficiency of a PM-PCM, which combines two machine characteristics within a single structure using pole-changing. The purpose of multi-objective optimization was to use the characteristics of a washing machine, featuring two distinct operation modes: low speed (washing) and high speed (spin-drying), to confirm high efficiency in the variable speed range of PM-PCM. Performance comparisons were conducted with a washing machine motor of the same specifications that are generally used to validate the efficiency improvement of the optimized model. Therefore, the PM-PCM achieves high efficiency over a variable speed range through design considering Br and multi-objective optimization.