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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 안찬우
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 동아대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수11
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고효율 유도전동기를 위한 동 다이캐스팅 회전체의 동특성 해석에 관한 연구
A study on a Rotordynamics of Copper Die Casting Rotor
for High Efficiency Induction Motor
기계공학과 정 승 욱
지 도 교 수 안 찬 우
유도전동기는 산업의 광범위한 분야에서 사용되며 에너지 사용량의 15%에 해당한다. 3상 유도전동기의 효율을 높이면 많은 에너지 절감을 얻을 수 있을 것이다.
동 다이캐스팅 유도전동기는 고속, 고효율 유도전동기로 회전체의 각각의 도체 바를 직접 다이캐스팅을 하는 기술이다. 이 기술을 적용하여 공작기계용 고속 고효율 스핀들 3상 유도전동기와 전기자동차용 고속, 고효율 3상 유도전동기를 개발하였다. 기존에는 핀 게이트 방식의 알루미늄 다이캐스팅 및 동 다이캐스팅을 적용하였으나, 다중 게이트방식 동 다이캐스팅 금형 기술 및 코어 금형기술은 국내 유도전동기의 70%이상을 차지하는 30kW이하 고속, 고효율 유도전동기에 대하여 동 다이캐스팅 기술 적용을 목표로 한다.
고속, 고효율 유도전동기를 개발하기 위해서는 저 손실 강판 및 동 다이캐스팅 회전자 등의 새로운 재료 기술 도입이 필수적이다. 동 다이캐스팅 회전자는 동손이 낮아져 회전자 발열이 줄어들어 알루미늄 다이캐스팅 유도전동기보다 약 5℃ 정도 온도가 낮아지므로 전동기 수명이 연장된다. 동 다이캐스팅 유도전동기의 경우 기존 알루미늄 전동기와 비교해 볼 때 약 2∼3% 에너지 절감효과가 있으며 전동기 크기를 대폭 줄일 수가 있어 재료비 경감 효과도 얻을 수 있다.
동 다이캐스팅 회전체의 동특성 해석에 대한 연구결과 다음과 같은 결론은 얻었다.
1. 회전체의 고유진동수 해석을 수행하여 실제 모델과 3차원 모델링의 1차 고유진동수를 비교하였다. 실제모델의 1차고유진동수는 1,049Hz이고 3차원 모델링의 1차 고유진동수는 1,043Hz로 약 0.5%의 오차가 발생하여 3차원 모델링의 신뢰할 수 있었다.
2. 베어링 지지강성을 위험속도 선도를 참고로 구하였다. 회전체가 안정적으로 회전 구동하기 위하여 베어링 지지강성은 좌, 우 각각 8×107N/m, 1×108N/m의 볼 베어링으로 적용 하였다.
3. 위험속도 해석을 수행하여 API standard의 회전체의 위험속도와 최대 연속 운전속도 사이에 20%이상 분리여유가 확보 되어야 하는 규격을 검토하였다. 1차 굽힘 모드에서 65,909.125rpm으로 나타났고 위험속도 회피가 충분히 되어 고속에서도 안정하게 구동함을 확인 하였다.
4. ISO 1940-1과 API 규정을 바탕으로 불평형 응답해석을 수행하였다. 평형 특성 등급에 따른 불평형 응답 결과는 최대 진동레벨을 초과하지 않는 범위의 안정하게 설계 되었다고 판단하였다.
주요어 : Induction Motor(유도전동기), Copper Die Casting(동 다이캐스팅), Aluminium Die Casting(알루미늄 다이캐스팅), ISO 1940-1, API Standard, Rotor Dynamics(회전체 동역학), Unbalance response Analysis(불평형 응답 해석), Critical Speed Map(위험속도 선도), Campbell Diagram(캠벨선도), Modal Testing(모달 테스팅), Balance Quality Grade(발란싱 특성 등급), Separation Margin(분리여유), Whirling Mode(휘돌림 모드)
A study on a Rotordynamics of Copper Die Casting Rotor
for High Efficiency Induction Motor
기계공학과 정 승 욱
지 도 교 수 안 찬 우
유도전동기는 산업의 광범위한 분야에서 사용되며 에너지 사용량의 15%에 해당한다. 3상 유도전동기의 효율을 높이면 많은 에너지 절감을 얻을 수 있을 것이다.
동 다이캐스팅 유도전동기는 고속, 고효율 유도전동기로 회전체의 각각의 도체 바를 직접 다이캐스팅을 하는 기술이다. 이 기술을 적용하여 공작기계용 고속 고효율 스핀들 3상 유도전동기와 전기자동차용 고속, 고효율 3상 유도전동기를 개발하였다. 기존에는 핀 게이트 방식의 알루미늄 다이캐스팅 및 동 다이캐스팅을 적용하였으나, 다중 게이트방식 동 다이캐스팅 금형 기술 및 코어 금형기술은 국내 유도전동기의 70%이상을 차지하는 30kW이하 고속, 고효율 유도전동기에 대하여 동 다이캐스팅 기술 적용을 목표로 한다.
고속, 고효율 유도전동기를 개발하기 위해서는 저 손실 강판 및 동 다이캐스팅 회전자 등의 새로운 재료 기술 도입이 필수적이다. 동 다이캐스팅 회전자는 동손이 낮아져 회전자 발열이 줄어들어 알루미늄 다이캐스팅 유도전동기보다 약 5℃ 정도 온도가 낮아지므로 전동기 수명이 연장된다. 동 다이캐스팅 유도전동기의 경우 기존 알루미늄 전동기와 비교해 볼 때 약 2∼3% 에너지 절감효과가 있으며 전동기 크기를 대폭 줄일 수가 있어 재료비 경감 효과도 얻을 수 있다.
동 다이캐스팅 회전체의 동특성 해석에 대한 연구결과 다음과 같은 결론은 얻었다.
1. 회전체의 고유진동수 해석을 수행하여 실제 모델과 3차원 모델링의 1차 고유진동수를 비교하였다. 실제모델의 1차고유진동수는 1,049Hz이고 3차원 모델링의 1차 고유진동수는 1,043Hz로 약 0.5%의 오차가 발생하여 3차원 모델링의 신뢰할 수 있었다.
2. 베어링 지지강성을 위험속도 선도를 참고로 구하였다. 회전체가 안정적으로 회전 구동하기 위하여 베어링 지지강성은 좌, 우 각각 8×107N/m, 1×108N/m의 볼 베어링으로 적용 하였다.
3. 위험속도 해석을 수행하여 API standard의 회전체의 위험속도와 최대 연속 운전속도 사이에 20%이상 분리여유가 확보 되어야 하는 규격을 검토하였다. 1차 굽힘 모드에서 65,909.125rpm으로 나타났고 위험속도 회피가 충분히 되어 고속에서도 안정하게 구동함을 확인 하였다.
4. ISO 1940-1과 API 규정을 바탕으로 불평형 응답해석을 수행하였다. 평형 특성 등급에 따른 불평형 응답 결과는 최대 진동레벨을 초과하지 않는 범위의 안정하게 설계 되었다고 판단하였다.
주요어 : Induction Motor(유도전동기), Copper Die Casting(동 다이캐스팅), Aluminium Die Casting(알루미늄 다이캐스팅), ISO 1940-1, API Standard, Rotor Dynamics(회전체 동역학), Unbalance response Analysis(불평형 응답 해석), Critical Speed Map(위험속도 선도), Campbell Diagram(캠벨선도), Modal Testing(모달 테스팅), Balance Quality Grade(발란싱 특성 등급), Separation Margin(분리여유), Whirling Mode(휘돌림 모드)
목차
Ⅰ. 서론 11. 연구의 배경 12. 연구의 범위 및 방법 1Ⅱ. 동 다이캐스팅 유도전동기 31. 유도전동기의 구조 32. 동 다이캐스팅 유도전동기 4가. 생산 공정 4나. 손실 5다. 성능의 개선 5Ⅲ. 동 다이캐스팅 유도전동기 모델 7Ⅳ. 동 다이캐스팅 유도전동기의 해석절차 8Ⅴ. 동 다이캐스팅 유도전동기의 회전체 해석 91. 모델링(Modeling) 및 모델의 제원 92. 모달 해석(Modal analysis) 10가. 모달 테스팅(Modal testing) 103. 구조 해석(Structural analysis) 13가. 최대 비틀림 에너지 13나. 구조강도 해석 144. 회전체 해석(Rotordynamics analysis) 16가. 위험속도 선도(Critical speed map) 16나. 위험속도 해석(Critical speed analysis) 18다. 불평형 응답 해석(Unbalance response analysis) 255. 1차원, 2차원, 3차원 회전체 해석 비교 40가. 1차원 위험속도 해석 40나. 2차원 위험속도 해석 42다. 1차원, 2차원, 3차원 회전체 해석 비교 436. 유한요소 해석 소프트웨어 비교 45Ⅵ. 결론 48참고문헌 50ABSTRACT 52
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