전용 고속 고출력전용 고속 고출력전용 고속 고출력전용 고속 고출력Blower , PMAC(PermanentBlower , PMAC(PermanentBlower , PMAC(PermanentBlower , PMAC(Permanent

전동기의 설계 및 제작 기술지원전동기의 설계 및 제작 기술지원전동기의 설계 및 제작 기술지원전동기의 설계 및 제작 기술지원Magnet AC)Magnet AC)Magnet AC)Magnet AC)

2005. 7.2005. 7.2005. 7.2005. 7.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원한국전기연구원지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 주 한국유체기계주 한국유체기계주 한국유체기계주 한국유체기계( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 전용 고속 고출력 전동기의“Blower , PMAC(Permanent Magnet AC)

설계 및 제작 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보” ( : 2004. 8. ~ 2005. 7.)

고서로 제출합니다.

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2003 7 312003 7 312003 7 312003 7 31

지 원 기 관 : 한국전기연구원

지 원 기 업 : 주 한국유체기계( )

지원 책임자 : 정 연호

참여 연구원 : 안 종보

:〃 김 원곤

- 3 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장제 장제 장제 장2222 기술지원 성과 및 수행내용기술지원 성과 및 수행내용기술지원 성과 및 수행내용기술지원 성과 및 수행내용

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용2222

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

부 록부 록부 록부 록

- 4 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

지원기술의 개요지원기술의 개요지원기술의 개요지원기술의 개요1.1.1.1.

현재 초고속 회전 을 요구하는 기기는 중속의 터빈엔진이나 전(20,000~60,000rpm)

동기 에 중속 기어를 이용하여 고속회전을 얻고 있어 기어의 소(1,800~6,000rpm)

음 효율 중량 등이 큰 단점이다 초고속을 요구하는 기기의 동력원이 기어없이 고, , .

속화된다면 기존의 단점을 보완할 뿐더러 소형 경량 저소음 고신뢰성 친환경성· , , ,

등을 얻을 수 있어 현재 기술 선진국에서 고속전동기가 개발되어 기존의 동력원에

도입되고 있는 실정이다.

초고속 영구자석 회전기는 중전기기 분야의 회전기 기술 전동기 발전기 에 해당되는( / )

기술로 전기 에너지를 기계에너지로 변환시키는 에너지변환기기로 새로운 전기기기

관련 재료 예 희토류 영구자석 자성재료 와 전력용 반도체 소자 및 전력전자 기( : , )

술 발전에 따라 회전기의 회전자 에 영구자석을 부착하여 기존의 회전기보다(rotor)

손실을 줄이고 고효율 소형 경량 고속 및 고출력을 얻을 수 있는 기술로 산업이, , ,

고도화 선진화됨에 따라 필수적인 기술이지만 현재 국내 기술은 미비한 편이다.

그림 초고속 영구자석1.

회전기그림 초고속 회전기의 적용 예2.

- 5 -

이의 응용예를 보면

일반 산업분야 산업이 고도화 첨단화됨에 따라 기어없이 고속 회전력이 요구되- :

는 터보블로워 터보압축기 공작기계 전동기 진공 터보펌프 압축기, , spindle , , gas ,

고속 연마기 전동공구 원심분리기, ,

교통 및 수송분야 수송분야는 전동기 자체가 수송중량으로 계산되기 때문에 가- :

능한 적은 중량이 요구되는 고속전철 추진 전동기 자기부상 추진시스템 전기자동, ,

차 승용차 고속선박, HV

국방분야 고밀도 에너지가 필요한 전자포 발사장치용 보상발전기 어뢰 추진장- : ,

치 미사일 위치 제어 전기 추진, , 戰車

항공 산업분야 항공 산업은 경량화가 최우선으로 요구되기 때문에 가스터빈 연- :

료펌프 의 및 공조기 발전기 비행선, gas turbine Starter Alternator, , ,

에너지 분야 발전기 에너지 저장장치 등이 있으며- : gas turbine , Fly-wheel ,

에너지저장장치는 회전자의 기계적 관성에너지를 전기에너지로 변환시키fly-wheel

는 기기로 건전지에 비해 환경오염이 없고 에너지 밀도가 높으므로 차세대 에너지

저장장치로 각광받고 있다.

초고속 영구자석 전동기는 중전기기 분야의 회전기 기술 전동기 발전기 에 해당되는( / )

기술로 산업이 고도화 첨단화됨에 따라 기어없이 고속 회전력이 요구되는 모든 분

야에 적용가능하다 표 에 나타낸. 1 日經産業新聞 특집 세기의 신기술 신시장 조21 ·

사에서 년 신기술의 세계 시장 위중 초고속 전동기를 필요로 하는 기술은2020 200

개 제품에 시장규모는 조원에 달하는 미래첨단 고부가 가치 제품을 개발하기14 816

위한 요소기술임을 나타내고 있다.

- 6 -

표 신기술의 세계 시장 위 중 고속 전동기 필요 기술표 신기술의 세계 시장 위 중 고속 전동기 필요 기술표 신기술의 세계 시장 위 중 고속 전동기 필요 기술표 신기술의 세계 시장 위 중 고속 전동기 필요 기술1. (200 )1. (200 )1. (200 )1. (200 )

근거자료 특집 세기의 신기술 신시장조사( : , 21 )日經産業新聞※ ㆍ

표 세계시장 규모표 세계시장 규모표 세계시장 규모표 세계시장 규모2.2.2.2.

근거자료( : Electric Power Generation Market Forecast 1997~2006)※

회전기 분야의 세계시장 규모는 년에는 약 억불 규모가 될 것으로 전망되2005 430

고 있으며 산업의 특성상 기술발전 속도가 다소 느리기 때문에 우리나라가 선진국,

을 추월하기에 매우 적합한 분야이다 그러나 이 분야는 후발 개도국들이 진출하기.

에는 설계 부품가공 조립 시험평가 기술 등의 부족으로 인해 아직은 거의 불가능한/ / /

실정이다 따라서 우리나라와 같은 선발개도국이 선진국들의 뒤를 이어서 수출주도.

산업화하기에는 최적인 분야이다 표 참조. ( 2 ).

- 7 -

사업수행의 시급성사업수행의 시급성사업수행의 시급성사업수행의 시급성2.2.2.2.

국내 터보블로워 전용 초고속 고출력 전동기 영구자석 동기전동기 의 시장, PMAC ( )

은 아직 규모가 작아 투자가 거의 이루어지지 않고 있으며 대부분이 수입되는 실,

정이다 최근 블로워 및 콤프레셔의 소형화 고효율화의 추세에 발맞추어 이들 장. , ,

치의 구동원이 되는 전동기가 기존의 유도전동기에서 소형화 및 고효율화할 수 있

는 고속 영구자석 동기 전동기로 대체되고 있으므로 국내 개발환경의 조성이 시급

하다.

기술지원의 적합성 타당성기술지원의 적합성 타당성기술지원의 적합성 타당성기술지원의 적합성 타당성3. ·3. ·3. ·3. ·

블로워 전용 초고속 고출력 전동기는 소량 다품종을 요구하는 시장의 탄력, PMAC ·

성 때문에 지출규모가 작은 중소기업에서 생산하는 것이 유리하다.

현재 국내에서 사용되는 블로워 전용 고속 영구자석 전동기는 대부분 수입 제품을,

사용하고 있으며 소량 다품종을 요구하는 시장의 분위기 때문에 국내 고출력 영구,

자석 전동기의 개발환경 및 설계해석기술이 낙후되어 있다.

따라서 산업용 기기부품 기술개발 의 분위기 조성 및 활성화 차원에서도 적극적인·

기술개발의지를 갖고 있는 기업체에 관련기술을 지원하면 부품소재의 기술개발에

활력소가 될 것으로 진망된다.

종합의견종합의견종합의견종합의견4.4.4.4.

기술요청 기업인 주 한국유체기계는 블로워 및 콤프레셔 분야의 부품소재 전문업( )

체로서 선박 석유화학 수처리 이송처리 등 다양한 산업기계 이송 공조 시스템의, , , ,

핵심 부품인 블로워를 주요 생산품으로 생산판매하고 있고 이를 기반기술로 블로,

워 구동부의 부품으로 사용되는 급 초고속 전동기의 개발55kw, 38000rpm PMAC

및 생산을 진행하고 있으며 소량 다품종을 요구하는 고속 고출력 전동기, · , PMAC

의 틈새시장에 고부가형 제품의 탄력적인 생산 판매를 목표로 하고 있다· .

이 과정에서 전동기의 자기회로 최적설계 및 해석 고속 전동기의 설계 및 제작 등,

관련기술이 부족하고 해석프로그램의 운용능력이 원활하지 못하여 고출력 영구자석

전동기 시스템의 신제품 개발이 자체적인 기술로는 어려운 실정이며 또한 시험기,

기의 부족으로 기기의 특성평가에 어려움을 겪고 있다.

- 8 -

하지만 주 한국유체기계는 년 중소기업으로서는 드물게 장영실상을 수상하, ( ) 1999

는등 전동기의 생산에 필요한 기계가공 주조 공기동압 베어링 분야의 기반PMAC , ,

기술을 보유하고 있고 독립적인 개발공간과 박사급 연구인력을 보유하는 등 적극,

적인 기술개발 의지를 가지고 있다 따라서 지원연구기관의 전문인력파견을 통해. ,

애로기술을 체계적으로 해결하고 기술개발 인프라를 공유한다면 부품소재 전문업,

체인 주 한국유체기계의 관련기술개발에 많은 도움이 될 것으로 전망된다( ) .

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 기술지원 과제의 목적은 일반회전기를 사용하는 공기블로워에 고속회전기를 채

용하여 시스템의 간소화 고효율화 친환경성을 갖는 터보블로워를 개발하기 위해, ,

고속 회전기의 설계 및 제작기술을 지원하는데 있다.

그림 고속회전기 응용사례 터보공기압축기 삼성항공3. ( , )

- 9 -

고속회전기를 사용하면 그림 에 나타낸 것과 같이 시스템이 간소화되어 시스템의3

효율을 약 이상 개선할 수 있고 시스템의 전체 부피를 이하로 축소할 수10% , 1/10

있다.

본 기술지원에서는 지원기업의 고속회전기 설계 및 제작기술을 지원하기 위해

급 영구자석 전동기를 설계하고 제작 및 시험 평가하는데 최종목55kw, 38000rpm ·

표를 두고 있다 이러한 기술지원은 지원기업의 터보블로워 상업화모델 개발에 적.

용된다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

고속 전동기를 채용한 터보블로위를 상업화하기 위해 지원기업에 고속 영구자석 전

동기를 설계 및 제작하고 특성을 평가하는 기술을 지원하는 내용으로서 다음과 같

이 요약할 수 있다.

고속 전동기 설계 및 제작■

용 고속 고출력 전동기의 기본설계- Blower , PMAC

자기회로의 정특성해석 전동기 상수 계산 및 평가- ( )

전동기의 동특성 해석 및 평가-

전동기의 냉각구조 설계기술 지원- PMAC

고속 전동기 제작기술 지원-

시험평가■

전동기 상수 저항 인덕턴스 유기기전력상수 측정- ( , , )

정격속도에서 무부하 구동-

측정된 전동기 상수에 의한 특성평가-

지원기업이 고속 전동기 관련 기술을 확보하기 위해 급 영구자석55kW, 38000rpm

전동기를 설계하고 제작하여 특성을 평가한다.

- 10 -

제 장 기술지원 성과 및 수행내용제 장 기술지원 성과 및 수행내용제 장 기술지원 성과 및 수행내용제 장 기술지원 성과 및 수행내용2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

기술지원 수행결과기술지원 수행결과기술지원 수행결과기술지원 수행결과1.1.1.1.

기술지원을 통해 급 영구자석 전동기의 개 모델을 설계하고 개55kW, 38000rpm 2 1

모델을 시작품으로 제작하여 성능을 평가하였다 설계 및 평가내용은 제 절 기술. 2

지원수행내용에 언급된다.

설계된 고속 영구자석 전동기의 형태는 각각 그림 그림 와 같다 고속회전기의4, 5 .

특징은 회전자에 있으며 고속회전으로 인해 회전자의 영구자석이 회전수의 자승에,

비례하는 원심력을 받기 때문에 기계적인 안전성을 고려하여 로 제Stainless steel

작된 이 영구자석을 감싸고 있는 형태를 갖는다CAN .

정면도(a)

축방향 단면(b)

그림 급 영구자석 전동기의 모델4. 55kW, 38000rpm -l

- 11 -

정면도(a)

축방향 단면(b)

그림 급 영구자석 전동기의 모델5. 55kW, 38000rpm -lI

그림 의 모델 은 원통의 영구자석을 이 감싸고 있는 형태이며 그림 의4 -I steel CAN , 5

모델 는 구조강 자성체 으로 구성된 축 에 영구자석을 부착하고 외측에-ll ( ) (shaft) steel

이 부착된 형태이다 기계적인 안전성 및 제작 측면에서 그림 의 모델 가 용CAN . 5 -ll

이하기 때문에 시작품 제작 및 특성평가는 모델 에 대해 수행하였다-ll .

제작된 급 영구자석 전동기는 그림 과 같으며 단면도를 그림 에5kW, 38000rpm 6 , 7

나타내었다 시작품의 제작에서 베어링은 고속용 볼베어링을 채용하였으며 상업화. ,

모델에서는 주 한국유체기계에서 개발하는 공기베어링이 채용 될 예정이다( ) .

- 12 -

그림 급 전동기의 시작품6. 55kW, 38000rpm

그림 급 영구자석 전동기 시작품의 단면도7. 55kW, 38000rpm

- 13 -

기술지원의 성과기술지원의 성과기술지원의 성과기술지원의 성과2.2.2.2.

가 해당기술 적용제품가 해당기술 적용제품가 해당기술 적용제품가 해당기술 적용제품....

적용제품명 터보블로워o :

모 델 명 미정 년 월 출시예정o : (75hp, 2006 4 )

그림 터보블로워의 상업화 모델 년 월 출시예정8. (2006 4 )

- 14 -

나 품질 및 가격나 품질 및 가격나 품질 및 가격나 품질 및 가격....

고속 전동기의 품질은 전기적인 측면에서 경쟁제품과 동등한 수준이며 기계적인,

안전성은 현재 확보된 상태이나 장기간의 운전을 통해 신뢰성을 확인해야 하는 측

면이 있다 가격 측면에서는 국내에서 생산되는 고속 전동기가 없기 때문에 미국의.

스위스의 에서 수입하는 가격을 기준으로 자체 생산단가는 경쟁력을Calnetix, E+A

충분히 갖는다 표 에 나타낸 가격은 수입가격과 고속 전동기를 자체 판매할 경우. 3

의 예상치 가격을 비교하였다.

표 품질 및 가격비교3.

구 분 경쟁제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 100% - 100%

경쟁제품 대비 가격 만원700 만원700 만원400

다 원가절감 효과다 원가절감 효과다 원가절감 효과다 원가절감 효과....

원가절감은 연간 대를 생산할 경우 시스텡의 간소화에서 절감되는 가격을 기준100

으로 지원기업의 예상치를 표 에 나타내었다4 .

표 원가절감효과4.

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년1,000 / ( %)

인건비 절감 백만원 년500 / ( %)

계 백만원 년1,500 / ( %)

라 적용제품 시장전망 매출성과라 적용제품 시장전망 매출성과라 적용제품 시장전망 매출성과라 적용제품 시장전망 매출성과. ( ). ( ). ( ). ( )

터보블로워 제품을 년도에 출시할 예정으로 국내에서 터보블로워를 생산 판매2006 ,

하는 개 업체와 경쟁체제를 구축하며 국내시장의 차년도 예상 매출액은 약 억2 20

정도를 예상하고 있으며 중과 일본 등에 만 달러의 수출을 목표로 하고 있다, 30 .

- 15 -

표 적용제품의 매출 전망5.

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 백만원 년/ 백만원 년2,000 / % 신규매출

수 출 천달러 년/ 천달러년300 % 신규매출

계 백만원 년/ 백만원 년2,300 / % 신규매출

참고 적용제품 주요수출국 중국 일본) 1. : ,

작성당시 환율기준 원2. : 1000

수입대체효과5)

수입대체금액은 터보블로워를 개발하기 위해 고속회전기의 샘플을 수입할 경우를

고려하여 표 에 나타내었다6 .

표 수입대체효과6.

모델명 당해연도 수입액 차년도 수입액 수입대체금액 비 고

75hp 천달러 년/ 천달러 년-700 / 천달러 년700 / 신규사업

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/ 신규사업

계 천달러 년/ 천달러 년-700 / 천달러 년700 / 신규사업

마 해당기술의 기술력 향상 효과마 해당기술의 기술력 향상 효과마 해당기술의 기술력 향상 효과마 해당기술의 기술력 향상 효과....

주 한국유체기계는 저속 회전기를 채용한 공기블로워를 생산 판매하는 기업이었으( ) ·

나 고속회전기를 채용한 고부가가치의 터보블로워를 생산할 수 있는 기반을 마련,

하였다 특히 고속 영구자석 전동기에서 기술적으로 중요한 회전자의 제작 조립 기. ,

술을 보유하게 되어 고속 전동기의 생산 자립화를 달성하였다.

바 기술적 파급효과바 기술적 파급효과바 기술적 파급효과바 기술적 파급효과....

고속 회전기를 채용한 터보블로워는 에너지절약 시스템의 소형 경량화 친환경성, · ,

등의 장점을 갖는 고부가가치의 제품으로 공기블로워 시장에서 기존의 저속 공기블

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로워를 대체할 것으로 예측된다 현재 국내 및 국외시장은 초기단계 및 활성화단계. ,

로서 시장규모가 증가할 것으로 예측되어 터보블로워 시장을 선점할 수 있는 환경

이 되었다 고속 회전기는 터보블로워 뿐아니라 공기압력을 높인 터보컴푸레서에도.

채용될 수 있기 때문에 사업을 확장할 수 있는 파급효과를 얻을 수 있다.

사 기타 성과사 기타 성과사 기타 성과사 기타 성과....

본 과제를 통해 고속회전기 관련의 논문 건이 발표되었다5 .

제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용제 절 기술지원 수행내용2222

기술지원의 내용은 영구자석 전동기를 이해하기 위한 기본이론 해석적인 방법을,

이용한 급 영구자석 전동기의 설계 유한요소법을 이용한 특성해55kW, 38000rpm ,

석 시작품 제작 평가로 구성된다, , .

전동기의 설계 이론전동기의 설계 이론전동기의 설계 이론전동기의 설계 이론1.1.1.1.

가 영구자석의 퍼미언스 계수와 자기회로가 영구자석의 퍼미언스 계수와 자기회로가 영구자석의 퍼미언스 계수와 자기회로가 영구자석의 퍼미언스 계수와 자기회로....

퍼미언스 계수1)

퍼미언스 는 영구자석이나 코일의 전류에 의해 발생된 자속이 영구자(permeance)

석 공극 철심 등의 자기회로를 통해 얼마나 잘 흘러갈 수 있는지를 나타내는 척도, ,

로서 자기저항의 반대되는 개념이다 자석을 효과적으로 사용하기 위해서는 퍼미언.

스 계수를 충분히 이해해야 한다 퍼미언스 계수는 보자력 에 대한 자속밀도. (Hc) (B)

의 비율로서 단위에서는 로 표현된다 퍼미언스 계수와 곡선과의 상, CGS B/Hc . B-H

관관계를 잔류자속밀도 가 가우스 이며 보자력 이 에르(Br) 4,000 (gauss) , (bHc) 3,300

스테드 인 자석을 예로써 설명하고자 한다 그림 의 와같은 막대자석에서 가(oe) . 9 a)

우스 메터를 이용하여 측정한 값이 점에서는 점에서는A 1200 gauss, B 1300

인 것으로 가정한다 실제로 점에서 나온 자력선이 점에서 나온 자력선보gauss . B A

다 반대편 극으로 돌아가는 공극 의 최단거리가 만큼 짧기 때문에 가S (air-gap) L1

우스 측정치는 반대극이 가까운 점이 점보다 크게 나온다B A .

- 17 -

그림 자기회로에 따른 영구자석의 자속량 변화9.

이때 점의 퍼미언스 계수는 그림 에서 곡선이 와 만나는 점, A 1.4 B-H 1,200 gauss A

의 가 된다 원점과 점을 연결하는 직선이 자석 점에서의 퍼미언스선이 되B/Hc . A A

며 점에서 수직으로 내려 만난 값이 였다면 이때의 퍼미언스 계수는, A Hc 2,750 oe ,

이므로 이 된다 동일한 방법으로 자석 점에서의 퍼미언스를 계산하면B/Hc 0.436 . B

가 된다 동일한 자석이라도 자석표면의 위치에 따라 표면가우스는 일정하지 않0.5 .

는데 이것은 반대극과의 최단거리의 차이에서 발생하며 퍼미언스 계수를 크게 하, ,

기 위해서는 반대극과의 극간거리 를 줄이는 것으로도 가능하다(air-gap) .

그림 의 와 같이 양극이 평행한 상태에서는 점이나 점에서 반대극까지의 거리9 (b) A 5

가 동일하게 된다 그리고 극간거리가 에 비해서 짧기 때문에 점이나 점(L2) . , (a) A B

의 표면가우스는 동일하면서도 크게 나타나게 된다 두 점에서의 측정치를 모두.

로 가정하면 그림 과 같이 점 및 점의 퍼미언스선 는 같게2,500 gauss , 10 A B Pa, Pb

나타나며 퍼미언스 계수는 가 된다, 1.72 .

- 18 -

그림 영구자석의 퍼미언스 변화10.

자석의 극과 극의 간격을 줄이면 퍼미언스 계수가 상승하게 되는데 그림 의N 5 , 9 (c)

와 같이 공극이 없이 두 극이 붙은 경우에는 자력선이 자석 내부를 순환할 뿐 외부

로 누설되지 않는다 이때 퍼미언스의 값은 값은 이 되어 퍼미. , B 4,000 gauss, Hc 0

언스 계수는 무한대가 된다 영구자석의 특성을 나타내는 잔류자속밀도 는 퍼미. (Br)

언스 계수가 무한데일 때의 자속밀도를 의미하는 것으로 잔류자속밀도는 영구자석

의 재질에 따라 결정되기 때문에 재질특성 가우스라고도 한다.

실제로 영구자석을 이용하는 경우에는 퍼미언스 계수를 크게 하기 위해

가급적 공극을 줄여야 한다 같은 자석을 이용하더라도 그 전동기의 자석과.

전기자 철심 사이의 공극 고정자 및 회전자 철심의 재질에 따른 자기저항,

등에 의해 퍼미언스 계수의 차이가 발생한다 전동기에서 퍼미언스 계수를.

크게 하기 위한 방법에는

전동기 내의 공극 을 최대한 축소(air-gap)①

자기저항이 적은 고정자 및 회전자 철심의 재질을 사용②

슬롯 및 요크에서 누설자속을 줄인다.③

자석길이의 까지는 전기자의 적층길이를 증가80%④

등이 있으나 이러한 방법은 제작비와 제작방법에 따라 제한을 받을 수 있다, .

- 19 -

기본적인 자기회로 해석2)

전동기에서 자기회로해석은 매우 복잡하다 전기자의 슬롯수 및 슬롯의 형상 고정. ,

자 및 회전자 철심의 치수 및 재질 등 불확정적인 요소가 많기 때문에 해석적인 방

법으로는 자기회로의 정화한 평가가 어렵다 여러 가지 요소를 고려하여 계산한 결.

과도 실제 모터에서 얻어지는 결과와는 일치하지 않는 경우가 많다 보다 정화한.

자기회로의 해석에는 유한요소법 을 이용하고 있으나 이 방법은 치수와 재질(FEM) ,

등 모든 사양이 결정된 후에 가능한 작업이므로 초기설계 단계에서는 많은 가정을,

바탕으로 기본식을 이용하여 자기회로 해석을 수행 한다.

그림 자기회로의 해석모델11.

그림 은 자기회로해석을 위한 단순한 모델이다 영구자석에서 발생되는 자속은 누11 .

설을 무시하면 공극에서의 자속과 같기 때문에 공극에서 자속밀도는 다음의 관계를

갖는다.

여기서 과 는 각각 영구자석과 공극의 단면적이다 영구자석의 자속은, Am Ag .

- 20 -

로 계산되며 공극에서의 퍼미언스를, Pg=μ0Ag/lg로 단순하게 고려하면 식 는 식, (2)

으로 표현된다(3) .

그림 의 자기회로에서 기자력은 식 로 표현된다11 (4) .

영구자석의 보자력은 Hc=-Br/(μ0μr 이므로 영구자석의 동작점에서 자계의 세기) ,

Hm=Fm/lr의 관계는 식 로 표현할 수 있다(5) .

식 과 식 를 비교하면 영구자석의 자속밀도와 자계의 세기는 반비례의 관계가(3) (5) ,

있음을 알 수 있다 그리고 영구자석의 동작점은 퍼미언스 계수를 계산함으로써 알. ,

수 있다.

자속의 누설이 발생하는 경우에는 식 으로 표현할 수 있다(7) .

여기서 는 슬롯이나 공극 등에서 자속의 손실을 나타내는 누설계수로서, σ

로 표현되며, f는 고정자 및 회전자의 철심 등에 의한 기자력 손실계수로서

로 표현된다.

- 21 -

그림 전동기의 자기회로12.

그림 와 같은 전동기에서 공극을 통과하는 유효자속12 (Φg 은 식 와 같이) (10a)-(10e)

계산할 수 있다.

영구자석 전동기에서 기자력 손실계수는 정도이며 누설계수는 슬롯이 개1.1~1.3 , 3

의 경우 정도이며 그 이상인 경우 정도이다1.5~2.4 , 1.05~1.5 .

라 영구자석의 감자. (demagnetizittion)

영구자석의 감자는 영구자석의 자속량을 감소시켜 전기자 권선에 유기되는 무부하

유도 전압을 감소시키므로 전동기의 성능을 저하시키는 원인이된다, .

- 22 -

영구자석의 감자원인에는 온도변하에 의한 감자와 외부자계 보통 전동기에서는 전( ,

기자 반작용 에 의한 감자가 있다 전동기의 출력은 무부하 유도전압과 전기자의) .

권선에 흐르는 전류의 곱에 비례하는 특성을 갖는데 영구자석의 자속이 저하되면,

동일한 출력을 발생시키기 위해서 전류가 상승하게 되고 상승된 전류는 저항손실,

을 증가시켜 전동기의 성능저하는 물론 발열량을 증가시킨다 그리고 과도한 전류. ,

는 영구자석에 대한 전기자 반작용으로 이어져 영구자석의 감자요인이 되므로 이,

러한 상황이 반복되면 전동기는 사용할 수 없는 상태에 이른다 또한 영구자석의. ,

감자는 무부하시의 회전수를 상승시키는 원인이 된다.

희토류 계열의 자석 네오디뮴 자석 사마륨코발트 자석 은 높은 보자력을 가지며( , ) ,

곡선이 선형성을 가지므로 실용적인 상황에서는 감자의 위험이 거의 없기 때문B-H

에 온도변화에 의한 감자 원인과 전기자 반작용에 의한 감자 원인을 페라이트 계열

의 영구자석을 중심으로 곡선과 퍼미언스 선의 관계로 설명 한다B-H .

온도변화에 의한 감자1)

페라이트 자석은 온도에 민감하다 온도가 상승하면 자속밀도 는 씩 감. 1 B 0.18%℃

소하고 보자력 는 씩 증가한다 반대로 온도가 내려가면 자속밀도가, H 0.35~0.55% .

상승하고 보자력은 감소하게 된다 페라이트 자석에서 감자의 원인은 온도가 감소, .

되었다가 상승하는 경우에 발생하며 온도가 상승했다가 다시 감소하는 경우에는,

발생하지 않기 때문에 온도에 의한 감자는 보통 저온감자를 의미한다 하지만 희토. ,

류 계열의 자석 네오디윰 자석 사마륨코발트 자석 은 페라이트 자석의 경우와 다르( , )

게 자속밀도와 보자력이 온도의 상승에 따라 감소하므로 고온감자가 발생하게 된

다.

페라이트 자석에서의 온도특성은 재질에 따라 조금씩 차이가 있지만 일반적으로 다

음과 같이 표시한다.

잔류자속밀도 의 온도계수(Br) =■ △B/Br = -0.18%/℃

보자력 의 온도계수(bHc) =■ △H/Hc =+0.35~0.55%/℃

- 23 -

그림 에서 상온 에서의 감자곡선 상에서 자석의 동작선 퍼미언스 선13 20' Br-iHc ( ;℃

원점에서 자석의 동작점을 연결하는 선 이 이라고 하면 이때의 동작점은) O-P1 , a1

이 된다 그러나 저온이 되면 곡선이 변화되어 와 같이 되고 동작선이. , Br‘·-iHc’ ,

변하지 않았으므로 이때의 동작선은 선 과 곡선 가 교차하는 점 이O-P1 Br'_iHc' b1

되어 자속밀도는 a1-b1=△ 만큼 감소한다B1 .

그러나 자석의 온도가 상온으로 돌아오면 이때 점은 으로 돌아가지 못하고, , b1 a1

굴곡점 과 을 연결한 직선과 선과 만난 점 에서 을 연결한 직선 과R r B=H A b1 A-b1

곡선이 만난 점 으로 된다 이때 자석의 동작선 피미언스 선 은 변화하지Br-iHc c1 . ( )

않고 으로 남아 있기 때문에 이때 점의 동작점은0-P1 c1

리코일 투자율 즉 선과 평행하게 돌아가(recoil permeability; minor loop) , Br-a1

점이 된다c2 .

그림 저온감자 곡선의 이해13.

- 24 -

이와같이 동작선이 저온시의 곡선상의 굴곡점 보다 좌측아래에 위치하도록 설B-H r

계되어 있는 경우에는 온도가 감소했다가 다시 돌아오는 것만으로도 △B1+△ 만B2

큼의 감자가 일어난다 이런 경우의 저온감자를 불가역변환에 의한 저온감자.

라고 한다(Irreversible low temperature demagnetization) .

동작선이 와 같이 저온시의 곡선상의 굴곡점 보다 오른쪽 위에 있도록O-P2 B-H r ·

설계된 경우에는 감자가 발생하지 않는다 이때는 상온시의 동작점이 가 되며 온. a2

도가 내려간 후에는 저온시의 곡선인 곡선과 동작선이 교차하는B-H Br'-iHc' O-P2

점 가 되어 오히려 저온시 동작점이 올라간다 이 경우 온도가 상온이 되면 동작b2 .

점은 으로 되었다가 리코일 투자율과 동일하게 원래의 로 되돌아오기 때문에d1 a2

가역변환에 의해 저온시에도 전혀 감자가 일어나지 않는다.

그림 페라이트 자석의 곡선14. B-H

온도에 따른 감자를 구체적으로 설명하기 위해 그림 와 같은 페라이트 자석의14

곡선을 일예로써 검토한다 그림 에서 일 때의 곡선이 가 되면B-H . 14 20 B-H 60℃ ℃

변화하게 되는데 이때의 값은 에서 떨어지게 된다, Br 4000Gauss .

일때의 값은 다음과 같이 계산된다60 Br' .℃

- 25 -

반대로 온도가 에서 영하 로 감소되면 이때의 잔류자속밀도 는20 60 Br"℃ ℃

으로 된다 이와같이 온도에 따라 곡선이 변화하는 특성으로 인해 온도변화에. B-H

의한 감자현상이 발생할 수도 있다.

전기자 반작용에 의한 감자2)

감자의 원인으로서 전기자 반작용은 아주 중요하다 전기자의 슬롯에 감겨 있는 코.

일에 전류가 흐르면 그 코일의 직각방향으로 자력선이 발생하게 된다 전류의 세기.

가 강할수록 자력선의 수가 증가되어 그 자력선과 영구자석의 극에 흡인력과 반발

력이 상호자용하여 전동기의 회전력이 발생한다.

이때 자석의 극과 전기자의 코일에서 발생한 극 또는 자석의 극과 코일의, N N ( S S

극 이 서로 반발하는 위치 있을 때 자력선의 작용에 의해 자석이 종종 감자되는데) ,

이때의 감자현상을 전기자 반작용에 의한 감자라고 한다 전기자 반작용에 의한 감.

자는 전기자 코일에 과도한 전류가 흐를 때 발생되는데 이러한 원인으로는, BLDC

의 경우 인버터의 스위칭 서지전류 나 초기위치를 잘못 판단하는 경, (surgecurrent)

우에 발생될 수 있다.

그림 에서 곡선 또는 곡선 은 자석자체의 특성을 나타내는 곡15 4 i-H ( Intrinsic B-H )π

선이며 곡선은 외부의 영향에 따라 영구자석에서 변화되는 자속밀도와 보자력, B-H

의 관계를 나타내는 곡선이다 그림에서 외부자계의 영향을 받지 않을 때 영구자석.

의 동작점은 동자선 퍼미언스 선 와 곡선이 교차하는 점 이며 이때에( ) 0-Pc B-H A ,

곡선상의 해당점은 가 된다4 i-H B .π

- 26 -

그림 외부자계에 의한 감자곡선15.

이때의 동작선은 가 되며 로서 표시된다 전기자의 반작용인 감자계Pc' , Pc'=Pc+1 .

가 △ 의 크기만큼 영구자석에 영향을 미친다면 곡선상의 동작점은 에서 로H B-H A D

이동된다 이것은 동작선이 에서 평행하게 감자계의 세기. 0-Pc' △ 만큼 좌로 이동H

되어 곡선과 만나는 점 와 대응되는 곡선상의 점은 이기 때문이다 전4 i-H C B-H D .π

기자에 의한 감자계 △ 가 이 되어도 동작점은 리코일 투자율과 동일하게 즉 점H 0 ,

에서 선 과 평행하게 되돌아가 동작선 와의 교차점인 로 되는데 이로D A-Br O-Pc E ,

써 동작점은 에서 로 저하되어 영구자석은 이미A E Bd1-Bd2= B△ 만큼의 감자가d

발생하게 된다.

마 코깅토크 최소화 기법마 코깅토크 최소화 기법마 코깅토크 최소화 기법마 코깅토크 최소화 기법....

전기기기의 전자기력은 구동 토크를 발갱시킴과 동시에 반경방향의 힘은 외부 가진

력이 되어 고정자와 회전자를 진동시킨다 이러한 이유에서 진동뿐만 아니라 진동.

에 의한 소음이 발생하게 되어 사람에게 불쾌감을 준다 전자 에너지 변환기기의.

에너지 밀도의 증가에 따른 진동과 소음을 저감하고 전동기의 성능을 향상시키기

위하여 코깅 토크를 저감시켜야 한다.

- 27 -

코깅 토크는 영구자석을 사용하는 전동기에서 회전자와 자극의 상대적인 위치에 따

라 자기축적에너지가 변화하는 구조에서 필연적으로 나타나는 현상이다 코깅 토크.

는 슬롯수와 극수의 최소공배수를 기본주파수로 하여 맥동을 하게 되고 전동기의

속도제어 및 위치제어에 악영향을 주며 진동의 원인이 되는 토크리플의 주요 원인

이 된다 코깅 토크를 최소화하기 위해서는 다음과 같이 여러 방법들이 사용되고.

있다.

고정자 및 영구자석에 사구 를 주는 방법(skew)①

고정자 철심에 노칭을 하는 방법②

영구자석 착자 형태를 정현적으로 하는 방법③

영자석의 자극비를 변화시키는 방법④

공극 길이를 크게 하는 방법⑤

슬롯 개구폭을 최소로 하는 방법⑥

코깅토크를 저감시키는 방법중에서 공극길이를 크게하는 방법은 공극의 자기저항을

크게하여 전동기의 성능에 악영향을 주고 슬롯 개구폭을 최소로 하는 방법은 슬롯,

에 코일을 삽입한 최소한의 공간이 요구되므로 실질적인 문제해결에는 도움을 주지

못한다 따라서 위의 방법중에서 의 기법이 코킹토크를 저감시키는 방법으로. , ~① ④

주로 이용되고 있으므로 이들의 영향을 간단하게 검토하고자 한다, .

고정자 및 영구자석에 를 주는 방법1) Skew

고정자 또는 영구자석에 륵 주면 고정자 철심의 치 가 극과 극의 경, skew (teeth) N S

계면을 지나는 경우에 치와 겹쳐지는 영구자석의 크기가 축 방향에 대해서 일정하

지 않게 된다 즉 축 방향의 중심점을 기준으로 회전자와 자극의 상대적인 위치가. ,

대칭을 이루므로 상호작용 척력과 인력 에 의해 코깅토크가 감소하게 된다( ) .

- 28 -

그림 개의 영구자석 으로 된 회전자16. 2 stact. skew

그림 과 에 에 따른 코깅토크의 변화를 예시하였다 여기서 은17 18 skew . , Skew 1.0

슬롯간 거리를 나타내는 것으로서 인 경우에는 슬롯간 거리의 만큼의 각도로0.5 1/2

된 것이다 그림 을 보면 가 인 경우에 코깅토크가 최소화됨을 알 수skew . 18 skew 1.0

있으며 일반적으로 가 있는 전동기를 설계시 이 값을 채용하고 있다, skew .

그림 고정자 철심의 에 따른 코깅토크의 파형 비교17. skew

- 29 -

그림 비율에 따른 코깅토크 변화18. Skew

고정자 철심에 노칭을 하는 방법2)

영구자석과 고정자 철심사이에 리럭턴스 변화에 의한 자기에너지의 변화를 억제하

는 방법으로 그림 와 같이 고정자 철심에 노치를 주는 방법이 있다19 .

이 방법의 효과를 그림 에 나타내었다20 .

그림 고정자 치에 노치를 갖는 전동기 형태19.

- 30 -

그림 코깅 토크에 대한 노치의 영향 비교20.

영구자석 착자 형태를 정현적으로 하는 방법3)

영구자석 착자형태의 영향을 분석하기 위해 그림 과 같은 모델을 검토한다 그림21 .

는 영구자석의 착자형태를 구형파 정현파 사다리꼴로 가정하였을경우 코깅 토22 , ,

크의 특성 변화를 나타내고 있다 그림에서처럼 구형파가 코깅토크가 가장 크고 정. ,

현파가 가장 현저하게 코깅토크가 저감됨을 볼 수 있다 이러한 현상은 영구자석의.

착자형태와 동일한 공극자속밀도의 파형을 같도록 그림 과 같이 영구자석의 기하23

학적인 형태를 변화시켜도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

그림 영구자석 전동기 극 슬롯수21. (8 , 12)

- 31 -

그림 영구자석의 자화형태에 따른 코깅토크 특성22.

그림 편심형 영구자석을 갖는 전동기 형태23.

영구자석의 자극비를 변화시키는 방법4)

영구자석의 폭과 극피치의 비율 즉 자극비에 따라서도 코깅 토크가 변화된다 그림, .

는 극을 개의 로 취급하여 의 폭에 따른 코깅 토크의 변화를24 2 1 segmerlt segment

계산하기 위한 해석모델이며 그림 에 영구자석 폭의 변화에 따른 코깅 토크의 변, 25

화를 나타내었다.

그림 에 따르면 자석의 폭이 감소함에 따라 코깅 토크가 감소하지만 일정한 자석25 ,

의 폭에 이르면 코깅 토크가 더 이상 감소하지 않는다.

- 32 -

중요한 사항으로서 자석의 폭이 감소하면 코깅 토크가 저감되지만 자석의 자속양,

도 함께 감소하여 전동기의 전체 토크 또한 감소하게 된다 따라서 적절한 자석폭. ,

의 선정이 요구된다.

그림 영구자석의 폭 변화 모델24.

그림 영구자석 폭 변화에 의한 코깅 토크 측성25.

- 33 -

급 영구자석 전동기의 설계 및 제작급 영구자석 전동기의 설계 및 제작급 영구자석 전동기의 설계 및 제작급 영구자석 전동기의 설계 및 제작2. 55kW, 38000rpm2. 55kW, 38000rpm2. 55kW, 38000rpm2. 55kW, 38000rpm

가 전동기의 설계가 전동기의 설계가 전동기의 설계가 전동기의 설계....

영구자석 전동기의 설계는 그림 과 같은 해석모델을 기반으로 하는 전자장 이론에26

의한 자기회로 계산법과 등가회로법에 의한 특성계산식을 적용하여 프로그래밍된

지원기관의 자체 프로그램을 이용하여 수행하였다.

영구자석에 의한 자기회로 모델(a) 권선에 의한 자기회로 모델(b)

그림 전자장이론에 의한 해석모델26.

그림 의 영구자석 전동기 설계프로그램은 전동기의 설계조건인 출력 속도 전27(a) , ,

압 극수 등의 기본적인 조건과 기하학적인 치수 영구자석의 특성을 입력하면 전동, ,

기의 특성을 계산하여 출력하는 기능을 수행한다 따라서 조건에 일치하는 특성을. ,

얻기 위해 입력 계산 출력 및 특성확인을 반복하여 설계를 수행할 수 있다 전자, , .

장이론을 이용하여 자기회로를 계산하기 때문에 가정자로법을 이용하는 기존의 방

법보다 정확한 해석결과를 얻을 수 있으며 수치해석적인 방법인 유한요소법에 의,

한 해석의 결과와 거의 유사한 결과를 얻는다.

또한 그림 의 영구자석 진동기의 동특성해석 프로그램은 인버터의, 27(b) SV-PWM

전압방식을 채용하여 시간 변화에 따른 전동기의 속도 토크 출력 전압 전류의, , , ,

변화를 확인할 수 있다.

- 34 -

그림 영구자석 전동기 설계 프로그램의 외관27(a).

그림 영구자석 전동기의 동특성해석 프로그램27(b).

- 35 -

급 영구자석 전동기를 그림 과 그림 와 같이 가지 형태에 대55kW, 38000rpm 28 29 2

해 설계하였다 고속회전기의 특징은 회전자에 있으며 고속회전으로 인해 회전자의. ,

영구자석이 회전수의 자승에 비례하는 원심력을 받기 때문에 기계적인 안전성을 고

려하여 로 제작된 이 영구자석을 감싸고 있는 형태를 갖는다Stainless steel CAN .

그림 의 모델 은 원통의 영구자석을 이 감싸고 있는 형태이며 그림28 -I steel CAN , 29

의 모델 는 구조강 자성체 으로 구성된 축 에 영구자석을 부착하고 외측에-ll ( ) (shaft)

이 부착된 형태이다 사이즈 측면에서 모델 는 모델 에 대해 고정자 외steel CAN . -ll -I

경은 가 크고 회전자의 외경은 가 작으며 고정자의 축방향 길이는19mm , 2mm ,

가 작다10mm .

설계된 영구자시 전동기의 각 모델에 대한 설계사양 및 특성을 각각 표 과 표 에7 8

나타내었다.

그림 게 급 영구자석 전동기의 모델28. 55kW, 38000 m -I

그림 급 영구자석 전동기의 모델28. 55kW, 38000rpm -ll

- 36 -

표 모델 의 설계사양 및 특성7. -I

표 모델 의 설계사양 및 특성8. -ll

- 37 -

표 과 표 을 비효하면 모델 이 딘델 보다 효율이 약 정도 높게 나타났7 8 -I -ll 1%

으나 열적인 측면에서는 전류밀도나 열발산 표면적을 고려할 때 모델 가, -ll

모델 보다 디 양호한 것으로 평가된다 또한 모델 은 이 영구자석-I . , -I steel CAN

과 를 기계적으로 연결시키고 실질적인 축 역할을 담당해야 하기 때문shaft ,

에 신뢰성 있는 조해석이 요구리어 기계적인 안정성 측면에서 모델 에 비-ll

해 약점을 갖는다 따라서 성능시험을 위한 시작품 제작은 모델 로 결정하. , -ll

였다.

가지 모델의 특성 파라메터를 이용하여 전동기의 동특성을 분석하고 과 결2

과를 각각 그림 와 그림 에 나타내었다 모델 가 모델 에 비해 관성이 낮29 30 . -ll -I

기 때문에 보다 빠른 가속시간을 갖는다 그러나 두 모델의 전체적인 동특성. ,

이 비슷한 성능을 보인다.

속도특성(a) 토크특성(b)

상전압 파형(c) 전류파형(d)

그림 설계모델 의 동특성 결과29. -I

- 38 -

속도특성(a) 토크특성(b)

상전압 파형(c) 전류파형(d)

그림 설계모델 의 동특성 결과29. -II

나 유한요소법에 의한 특성해석나 유한요소법에 의한 특성해석나 유한요소법에 의한 특성해석나 유한요소법에 의한 특성해석....

전동기의 상세한 특성해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 를 이용하Maxwell 2D

여 수행하였다.

그림 고정자 칠심의 자기특성 및 손실특성30.

- 39 -

그림 은 고정자 철심으로 선정된 재료의 자기특성과 손실데이터를 나타낸다 유30 .

한요소해석에서는 이 데이터를 적용하여 비선형 자기해석과 철손계산을 수행하였

다.

설계 모델1) -I

그림 은 설계모델 의 유한요소 해석모델이며 무부하시 자속선분포와 자속밀도31 -I ,

분포를 그림 와 그림 에 나타내었다 그리고 그림 은 무부하시32(a) (b) . , 33 38000rpm

에서 에 발생되는 와전류밀도를 나타낸다CAN .

그림 설계모델 의 해석모델31. -I FEA

그림 무부하시 자속선 분포32(a). (38,000rpm)

- 40 -

그림 무부하시 자속밀도 분포32(b). (38,000rpm)

그림 무부하시 에서 와전류밀도 분포33. CAN (38,000rpm)

에는 고정자의 슬롯과 치 구조에 의해 미소 자속변화가 발생하고 이때 속도기CAN

전력이 발생하여 와전류가 흐르게 되어 회전자에 열 을 발생시킨다(thermal) .

그림 는 무부하 에서 발생되는 무부하 유기기전력 파형을 나타내며 정34 38000rpm ,

현적인 분포를 보이고 있다 무부하시 속도에 따른 무부하 유기기전력과 발생되는.

손실을 표 운전온도 고려 와 표 운전온도 고려 에 나타내었다9( 30 ) 10( 150 ) .℃ ℃

- 41 -

그림 에서 무부하 유기기전력 파형34. 38000rpm

표 무부하 특성해석 결과 기준9. (30 )℃

표 무부하 특성해석 결과 기준10. (150 )℃

그림 그림 에는 전동기가 으로 운전될 때 자속선분포35 ~ 37 55kW, 38000rpm ,

자속밀도분포 에 유기되는 와전류밀도분포를 나타낸다, CAN .

- 42 -

그림 에서 자속선 분포35. 55kW, 38000rpm

그림 에서 자속밀도 분포36. 55kW, 38000rpm

그림 에서 에서 와전류밀도 분포37. 55kW, 38000rpm CAN

- 43 -

일정한 토크전류 에서 속도에 따른 부하특성을 해석하여 그 결과를 표 에107[A] 11

나타내었으며 해석결과를 바탕으로 분석된 전동기의 입출력 특성을 표 에 정리하, 12

여 나타내었다 유한요소법을 이용하여 해석된 설계모델 의 효율은 정격출력에서. -I

약 로 분석되었다95.5% .

표 부하특성 해석결과11.

표 해석결과에 의한 특성분석12.

기계손실은 토크에 의한 출력의 를 고려함1) 1.5%

입력은 토크에 의해 계산된 축력에 전기적인 손실을 합산한 값2)

축 출력은 토크에 의해 계산된 출격에서 기계적인 손실을 뺀 값3) (Shaft)

- 44 -

설계의모델2) II

설계모델 의 유한요소 해석모델은 그림 과 같으며 무부하 구동시 자-ll 38 , 38000rpm

속선분포 자속밀도 분포 에 발생되는 와전류밀도분포를 그림 그림 에 나, , CAN 38~ 40

타내었다.

그림 설계모델 의 해석모델38. -II FEA

그림 무부하시 자속선 분포39(a). (38,000rpm)

그림 무부하시 자속밀도 분포39(b). (38,000rpm)

- 45 -

그림 무부하시 에서 와전류밀도 분포40. CAN (38,000rpm)

설계모델 의 에서 무부하 유기기전력의 파형은 그림 과 같으며 설계-ll 38000rpm 41 ,

모델 과 같이 정현적인 파형을 보이고 있다 무부하시 속도에 따른 무부하 유기기-I .

전력과 발생되는 손실을 표 운전온도 고려 과 표 운전온도 고려 에13( 30 ) 14( 150 )℃ ℃

나타내었다 에 발생되는 와전류손실은 공극자속밀도가 설계모델 에 비해 높. CAN -I

기 때문에 상대적으로 높은 값을 나타내고 있다.

그림 무부하 에서 유기기전력 파형41. 38000rpm

- 46 -

표 무부하 특성해석 결과 기준13. (30 )℃

표 무부하특성 해석결과 기준14. (150 )℃

그림 그림 에는 전동기가 으로 운전될때 자속선분포 자속밀42 ~ 44 5kW, 38000rpm ,

도분포 에 유기되는 와전류밀도분포를 나타낸다, CAN .

그림 에서 자속선 분포42. 55kw, 38000rpm

- 47 -

그림 에서 자속밀도 분포43. 55kW, 38000rpm

그림 에서 의 와전류밀도 분포44. 55kW, 38000rpm CAN

일정한 토크전류 에서 속도에 따른 설계모델 의 부하특성을 해석하여 그107.3[A] -ll

결과를 표 에 나타내었으며 해석결과를 바탕으로 분석된 전동기의 입출력 특성. 15 ,

을 표 에 정리하여 나타내었다 유한요소법을 이용하여 해석된 설계모델 의 효율16 . -ll

은 정격출력에서 약 로 분석되었다 효율측면에서는 설계모델 이 모델 에94.7% . -I -ll

비해 약 정도 높게 평가되었다1% .

- 48 -

표 부하특성 해석결과 기준15. (150 )℃

표 해석결과에 의한 특성분석16.

기계손실은 토크에 의한 출력의 를 고려함1) 1.5%

입력은 토크에 의해 계산된 출력에 전기적인 손길을 합산한 값2)

축 출력은 토크에 의해 계산된 출력에서 기계적인 손실을 뺀 값3) (Shaft)

다 시작품 제작다 시작품 제작다 시작품 제작다 시작품 제작....

효율적인 측면에서는 설계모델 이 설계모델 에 비해 높게 평가되었지만-I -ll ,

열적인 측면 기계적인 안전성 및 제작 측면에서 설계모델 가 용이하기 때문에 시, -ll

작품 제작 및 특성평가는 모델 에 대해 수행하였다-ll .

제작도면을 그림 와 그림 에 나타내었으며 제작된 급 전동기45 46 , 55kW, 38000rpm

의 시작품을 그림 에 나타내었다 시작품의 베어링은 고속용 볼베어링을 채용하였47 .

다.

- 49 -

고정자 철심의 단면(a)

회전자의 단면(b)

그림 전동기의 제작도면45.

그림 전동기의 조립도46.

- 50 -

그림 급 영구자석 전동기의 시작품47. 55kW, 38000rpm

전동기의 상수 측정 및 설계검토전동기의 상수 측정 및 설계검토전동기의 상수 측정 및 설계검토전동기의 상수 측정 및 설계검토3.3.3.3.

영구자석 동기 전동기의 출력특성은 전동기의 파라메터인 저항 동기인덕턴스 무부, ,

하 유기기전력을 이용하여 등가적로 평가할 수 있으며 기계적인 안정성은 무부하,

구동을 수행하여 평가할 수 있다 본 절에서는 전동기의 파라메터를 측정하고 설계. ,

치와 비교하여 설계의 타당성을 검토하고자 한다.

가 권선 저항가 권선 저항가 권선 저항가 권선 저항....

제작된 시작품의 권선 저항은 정밀급 계측기인 영국 사의 모델Tinsley 5896

를 이용하여 측Transformer Micro-Ohmmeter(http://www.tinsley.co.uk/5896.htm)

정하였다 고속회전기는 권선의 저항이 수 수십 정도되기 때문에 일반 테스터. ~ mΩ

기나 로는 정확한 저항을 측정할 수 없다 그림 은 권선저항을 측정하LCR meter . 48

기 위한 시험세트와 측정된 저항값을 나타낸다.

측정된 선간저항은 약 으로서 설계치 과 잘 일치하고 있으며 설25.8m 25.48m ,Ω Ω

계치와 비교하여 표 에 나타내었다17 .

- 51 -

그림 권선저항 측정세트48.

표 선산 저항 측정 대기온도17. ( :28 )℃

나 동기인덕턴스나 동기인덕턴스나 동기인덕턴스나 동기인덕턴스....

전동기의 동기인덕턴스는 상권선의 자기인덕턴스와 선간의 상호인덕턴스를 합산한

값으로서 선간에서 측정한 인덕턴스의 이 된다 인덕턴스의 측정은1/2 . Hioki

를 이용하였으며 측정된 결과를 해석치와 비교하여 표3532-50 LCR HITESTER , 18

에 나타내었다.

회전자가 정지된 상태에서 측정을 했기 때문에 비교를 위해 해석 그림 참조 에서( 50 )

도 같은 조건으로 계산하였다 측정치와 해석치에서는 약 정도의 차이를 보이. 15%

는데 이것은 영구자석에 의해 철심이 부분적으로 포화된 영향을 받고 있어 해석치

에 비해 낮은 값으로 측정되었다 그리고 실제의 동기인덕턴스는 회전차가 동기속. ,

도로 회전을 하기 때문에 회전축의 와전류 효과가 제거되어 약 로 된다177uH .

- 52 -

그림 인덕턴스 측정 사진49.

표 상당 동기 인덕턴스 대기온도18. ( :28 )℃

(a) 60Hz (b) 600Hz

그림 회전자가 정지된 상태에서 권전 여자시 자속분포50.

- 53 -

다 무부하 구동 및 유기기전력다 무부하 구동 및 유기기전력다 무부하 구동 및 유기기전력다 무부하 구동 및 유기기전력....

무부하 구동을 위한 시험세트는 그림 과 같으며 에서 구동할때 측51~53 , 40000rpm

정한 전압 전류파형을 그림 에 나타내었다, 54 .

그림 전동기의 설치현황51.

그림 전동기 구동용 전력변환장치 인버터52. ( )

- 54 -

그림 무부하 유기기전력 측정장비53.

그림 무부하 구동시 전압 및 전류 파형54. (40,000rpm)

- 55 -

측정된 무부하 유기전압은 표 와 같으며 설계치와 약 의 차이를 보이고 있19 , 2.1%

다 속도에 따른 무부하 전압은 그림 와 같으며 측정된 파형을 그림 에 나. 55 , 56~65

타내었다.

표 무부하 유기기전력 상수19.

그림 유기기전력 측정치55.

- 56 -

그림 에서 유기기전력 측정파형56. 4,500rpm

그림 에서 유기기전력 측정파형57. 6,700rpm

- 57 -

그림 에서 유기기전력 측정파형58. 9,600rprn

그림 에서 유기기전력 측정파형59. 13,300rpm

- 58 -

그림 에서 유기기전력 측정파형60. 17,300rpm

그림 에서 유기기전력 측정파형61. 24,800rpm

- 59 -

그림 에서 유기기전력 측정파형62. 26,700rpm

그림 에서 유기기전력 측정파형63. 31,600rpm

- 60 -

그림 에서 유기기전력 측정파형64. 33,300rpm

그림 에서 유지기전력 측정파형65. 39,400rpm

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

고속 회전기를 채용한 터보블로워는 에너지절약 시스템의 소형 경량화 친환경성, ·

등의 장점을 갖는 고부가가치의 제품으로 공기블로워 시장에서 기존의 저속 공기블

로워를 대체할 것으로 예측된다 현재 국내 및 국외시장은 초기단계 및 활성화단계. ,

로서 시장규모가 증가할 것으로 예측되어 터보블로워 시장을 선점할 수 있는 환경

이다 고속 회전기는 터보블로워 뿐아니라 공기압력을 높인 터보컴푸레서에도 채용.

될 수 있기 때문에 사업을 확장할 수 있는 파급효과를 얻을 수 있다.

본 기술지원 과제에서는 지원기업의 고속 전동기를 채용한 터보블로워의 상업화

개발을 위해 고속 전동기 관련 기술을 지원하였다 고속 전동기의 설계 제작 평가. ,

를 위해 급 영구자석 전동기의 개 모델을 설계하고 개 모델을55kW, 38000rpm 2 , 1

선정하여 제작 평가를 수행하였다.

주 한국유체기계는 저속 회전기를 채용한 공기블로워를 생산 판매하는 기업이었으( ) ·

나 본 기술지원을 통해 고속회전지를 채용한 고부가가치의 터보블로워를 생산할,

수 있는 기반을 마련하였다 특히 고속 영구자석 전동기에서 기술적으로 중요한 회. ,

전자의 제작 조립기술을 보유하게 되어 고속 전동기의 생산 자립화를 확보하였으·

며 마력 급 고속 전동기를 채용한 터보블로워의 상업화 모델을 개발중으, 55kW(75 )

로서 년에 출시를 목표로 하고 있다2006 .

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