전기자동차용 유도전동기의 회전자 형상에 따른 운전 특성 분석 연구 :(A) study on the operating characteristics of rotor bar shape in squirrel-cage induction motor for electric vehicle

황성률

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황성률 (홍익대학교, 弘益大學校大學院)

지도교수: 申判錫

발행연도: 2013

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이용수18

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

전기자동차용 유도전동기의 회전자 형상에 따른 운전 특성 분석 연구

황성률 전기공학과 2013.01 학위논문

2012

EV용 농형 유도전동기 회전자 바 형상에 따른 기동 및 저속운전 특성 연구

황성률 , 이우열 , 김호연 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2012.07 학술대회자료

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전기자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 중량, 충전시간 등의 문제로 실용화되지 못하다가 최근 환경문제가 심각해지면서 다시 개발되고 있다. 전기자동차에 적합한 모터는 PMSM(영구자석형 동기전동기)와 AC 유도전동기 2가지로 압축된다. 현재까지는 영구자석형 동기전동기의 활용이 높은 편이나 영구자석형 모터의 핵심인 자석의 높은 가격에 따른 높은 제작비용과 약자속제어의 어려움이 있다. 특히 최근 희토류 문제로 인해 제작단가가 낮고 기계적 특성과 고속효율이 높은 AC 유도전동기에 대한 활용도가 급격히 높아지고 있는 추세이다. 유도전동기는 고속의 효율특성은 우수하지만 저속/경부하시 효율이 낮다. 여러 해 동안 전동기의 동작 시 손실을 최소화함으로써 효율을 증가 시키는 것에 대한 많은 연구가 이루어졌다.
본 논문은 전기자동차용 농형 유도전동기의 회전자형상을 변형시켜 특성을 해석한 것이다. 전동기의 모델은 44kw 급 유도전동기이며, 형상에 따른 토크, 기동전류, 효율계산은 SPEED 프로그램을 이용하여 계산하였다. 고정자 모델 및 인가전압 등 모든 조건은 일정하게 유지하고 회전자의 형상만을 변형하였으며, 형상에 따라 현재 유도전동기에 많이 쓰이는 2가지 타입으로 구분하여 분석하였다. 각 타입은 심구(deep) 회전자바를 Type1으로 이중농형 회전자바를 Type2로 정하였다. 기동토크는 Type1 = 137.52 [N·m], Type2 = 177 [N·m]이다. 기동전류는 Type2(이중농형회전자) 가 1032A] 로 다른 심구 회전자바에 비해 7.52 [%] 낮은 전류가 측정되었다. 기저주파수에서의 효율은 이중농형 회전자바의 효율이 좋았다. 주파수제어를 이용한 최대속도에서의 효율은 심구 회전자바의 효율이 좋았다. 또한 전운전영역에서의 최대토크곡선은 거의 비슷하였으나, 심구 회전자바의 토크곡선이 미세하게 높은 토크가 계산되었다.

Electric Vehicle(EV) was developed earlier than gasoline cars in 1873. But it had no practical use because of the problems for weight, charging time and cost. Recently the environmental problems make EV be developed and be used in world wide. There are two types of motors for Electric Vehicle; PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) and AC Induction Motor. PMSM is more useful than AC Induction Motor(IM). However, due to the high production costs of PMSM, usage of AC induction motors has been rapidly growing for the propulsion motor of EV. In this study, rotor slot shape of the induction motor is analyzed to increase torque and efficiency using motor design program(SPEED) and FEM program. Characteristics of the high-speed induction motor efficiency is excellent, however, at the low speed and light load the efficiency is a little lower than the high speed motor. For many years a lot of research is has been done about increasing the efficiency by minimizing losses during operation of the motor.
In this paper, the squirrel-cage induction for electric vehicle is simulated by transforming the rotor slot shape of to analyze the motor characteristics. A 44 kW class induction motor is modelled to calculate its airgap flux density, starting current, torque and efficiency as various rotor slot shape using the SPEED program. To see the effect of the rotor slot, all the conditions remain constant and only the shape of the rotor slot is changed. In the current analysis, two type of rotor slot are introduced to compare its performance: Deep-bar(Type 1) and the double rotor bar(Type 2). The starting current of Type 2 is lower than that of Type 1 by 1032 [A] about 7.5 %. For the efficiency Type 2 is better than Type 1 on the low frequency. But, at the maximum speed using frequency control, the efficiency of the Type1 is better than that of Type 2. In the all range of driving frequencies, the maximum torque curves of two types are almost the same.

제 1 장 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 사례 및 동향 4
제 2 장 연구모델 설계 5
2.1 유도기의 구조 5
2.1.1 연구모델 사양 7
2.1.2 회전자(Rotor) 구조 7
2.2 등가회로 특성해석 10
2.3 형상 특성분석 결과 15
2.3.1 기저주파수의 토크특성 15
2.3.2 기저주파수의 기동전류 20
2.3.3 전 운전 영역의 토크특성 22
2.3.4 효율 특성 분석 27
제 3 장 유도전동기의 해석이론 30
3.1 유한요소법의 개요 30
3.2 자계 지배방정식과 유한요소해석 정식화 31
제 4 장 해석모델 및 해석결과 38
4.1 해석모델 38
4.2 해석결과 42
4.2.1 공극자속밀도 43
4.2.2 Rotor bar의 출력밀도 및 전류밀도 45
4.2.3 전압 및 전류파형 47
제 5 장 결 론 49
참 고 문 헌 50
영문요약 52

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