소용량 압축기용 선형 영구자석 전동기의 기계 시스템을 고려한 전자기 및 운전 특성 해석 :Electromagnetic and operation characteristics analysis considering the mechanical system of a linear permanent magnet motor for a small capacity compressor

김창우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김창우 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 최장영

발행연도: 2021

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이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

소용량 압축기용 선형 영구자석 전동기의 기계 시스템을 고려한 전자기 및 운전 특성 해석

김창우 전기공학과 2021.01 학위논문

2019

선형영구자석 기기의 기계 부하를 고려한 전자기 특성 해석

김창우 , 장강현 , 정상섭 외 3명 대한전기학회 학술대회 논문집 2019.07 학술대회자료

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현대 사회에서는 냉동 냉장 기술에 대한 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이다. 냉동 냉장 기기의 압축기는 주로 왕복동식 압축기 또는 선형 압축기가 사용되고 있다. 일반적으로 왕복동식 압축기는 크랭크-샤프트 메커니즘을 통해 회전 운동을 왕복 운동으로 변환하여 기계적 마찰이 발생하며, 효율이 낮고 소음이 발생하는 단점이 있다. 이에 반해 선형 압축기는 프리 피스톤 구조이기 때문에 운동 변화로 인해 베어링과 슬라이딩 부품에서 발생하는 마찰 저항이 상당히 감소한다. 또한 크랭크 샤프트에서 발생하는 측면 하중을 제거 할 수 있으며 시스템 부하 또는 주변 온도에 따라 입력 전압을 조절하여 스트로크를 조절할 수 있는 장점이 있다. 따라서 기존의 왕복동식 압축기를 선형 압축기로 대체하는 연구가 활발히 진행되어지고 있다.
하지만 대부분의 선형 압축기에 사용되는 영구자석 전동기에 대한 연구는 유한 요소 해석 기법을 기반으로 한 전자기 성능 해석을 목표로 하고 있으며, 선형 영구자석 전동기를 제작하여 실험을 수행하거나 검증하는 연구는 거의 보고되지 않았다. 또한 많은 연구자들이 선형 영구 자석 전동기의 성능 평가를 시도했지만 특정 조건에서만 전자기적 특성을 고려하여 성능 특성을 분석했기 때문에 실제 운전 성능을 정확하게 예측하기에 어려움이 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 논문은 분석 방법을 사용하여 선형 영구 자석 전동기의 전자기장을 해석하고 기계 시스템을 고려하여 선형 영구 자석 전동기의 운전 특성을 평가하는 것을 목표로 하였으며, 해석의 신뢰성은 실험을 통해 검증하였다.

In the initial stages of the industry, refrigeration techniques were aimed at enhancing the ambient environment for human living. However, with the industrial and technological advancements, such as large-scale semiconductor production, development of biotechnology, and building construction, refrigeration techniques are being applied to facilitate cleaning measures and cryogenics and maintain constant temperature and humidity.
Thus, the demand for refrigeration techniques has increased rapidly, and the use of refrigeration equipment is indispensable in the modern industrial society.
The compressors in refrigeration machines are mainly reciprocating or linear compressors. In general, reciprocating compressors convert rotational motion into reciprocating motion through a crankshaft mechanism, which leads to the occurrence of mechanical friction, resulting in a low efficiency and noise generation. In contrast, because linear compressors have a free piston structure, the frictional resistance generated in the bearing and sliding parts owing to the change in motion is considerably reduced. Moreover, the side load generated by the crankshaft can be eliminated, and the stroke can be adjusted according to the system load or ambient temperature. The use of the free piston in refrigeration equipment can help reduce the power consumption. Moreover, because the movement of the piston is not mechanically constrained, the output of the compressor can be adjusted by adjusting the input voltage. Therefore, the replacement of reciprocating compressors with linear compressors has attracted considerable research attention.
Nevertheless, most of the existing studies were aimed at performing electromagnetic performance analyses based on finite element analysis techniques, and the verification of the relevant approaches by conducting experiments or manufacturing permanent magnet linear motors has been rarely reported. In addition, although many researchers have attempted to evaluate the performance of linear permanent magnet motors, the actual operation performance could not be accurately predicted because the performance characteristics were analyzed considering the electromagnetic characteristics under only specific conditions.
To overcome this limitation, this dissertation was aimed at examining the electromagnetic field of a linear permanent magnet motor by using an analytical method and evaluating the operating characteristics of a linear permanent magnet motor, taking into account the mechanical system. The reliability of the analysis was verified experimentally.

제 1 장 서론 - 1 -
1.1 연구의 배경 및 필요성 - 1 -
1.2 연구 동향 - 8 -
1.3 연구 목표 - 11 -
1.4 연구 구성 - 13 -
제 2 장 선형 영구자석 전동기 전자기 특성 - 15 -
2.1 선형 영구자석 전동기 적용 시스템 및 작동원리 - 15 -
2.2 해석적 방법을 이용한 선형 영구자석 전동기 전자기 특성 - 21 -
2.2.1 해석 모델 및 가정 - 21 -
2.2.2 선형 영구자석 전동기 전자기장 해석 - 23 -
2.2.3 회로정수 계산 - 31 -
2.2.4 전자기 힘 계산 - 34 -
2.3 선형 영구자석 전동기 전자기 손실 해석 - 35 -
2.3.1 동손 - 36 -
2.3.2 영구자석손 - 36 -
2.3.3 철손 - 37 -
제 3 장 선형 영구자석 전동기 전자기-기계 연동해석 - 49 -
3.1 선형 영구자석 전동기 연동해석 모델링 - 50 -
3.1.1 전기 방정식 모델링 - 50 -
3.1.2 기계 방정식 모델링 - 52 -
3.1.3 전기-기계 해석 방정식 - 55 -
3.2 전동기 사양 및 상용 해석 프로그램을 이용한 연동해석 - 58 -
3.2.1 선형 영구자석 전동기 사양 및 해석 모델 - 58 -
3.2.2 연동 해석 기법 - 60 -
3.2.3 단상 PWM 인버터 모델링 - 65 -
3.3 기계 시스템을 고려한 선형 영구자석 전동기 특성해석 - 69 -
3.3.1 전자기 해석 결과 - 69 -
3.3.2 구동 주파수에 따른 운전 특성 해석 - 81 -
제 4 장 실험 결과 및 검토 - 96 -
4.1 정특성 실험 - 97 -
4.2 운전특성 실험 - 98 -
제 5 장 결론 - 103 -
참고 문헌 - 105 -

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