자기등가회로기반 영구자석 보조 동기 릴럭턴스 전동기의 전자기 특성 해석 :Electromagnetic characteristics analysis of Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor based on Magnetic Equivalent Circuit

김수민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김수민 (충남대학교, 충남대학교 대학원)

지도교수: 최장영

발행연도: 2023

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이용수37

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

자기등가회로기반 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 전동기의 전자기 출력 특성 해석

김수민 , 신효섭 , 정우성 외 4명 대한전기학회 학술대회 논문집 2023.07 학술대회자료

자기등가회로기반 영구자석 보조 동기 릴럭턴스 전동기의 전자기 특성 해석

김수민 전기공학과 2023.01 학위논문

2021

자기등가회로를 이용한 고속 영구자석 전동기의 공극자계 및 전자기 특성 해석

김수민 , 김우현 , 이지훈 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

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희토류 영구자석 동기 전동기는 높은 자기장을 이용하여 고출력, 경량 설계가 가능한 장점이 있다. 희토류 영구자석 동기 전동기는 이러한 장점을 활용한 전기자동차, 신재생에너지 등 친환경 산업 분야에서 급속히 증가하고 있다. 그러나 우리나라는 희토류의 생산성이 낮고 생산과정에서 발생하는 환경오염이 심해 전량 수입에 의존하고 있다. 희토류 영구 자석의 지속적인 가격 불안정성은 희토류 영구자석 동기 전동기의 제조 및 유지 관리 측면에서 많은 문제를 야기하고 있다. 따라서 다양한 친환경 산업 분야에서 희토류에 대한 의존도를 낮추는 비 희토류 영구자석 동기 전동기에 대한 필요성이 커지고 있다.
이를 해결하기 위해 비 희토류 영구자석을 이용한 동기식 릴럭턴스 모터(PMa-SynRM)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PMa-SynRM은 비희토류 영구자석이 다층 구조로 내장된 회전자 형태를 가진다. 이를 통해 비희토류 영구자석의 자속밀도를 집중시킬 수 있다. 또한, 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 이용하여 넓은 운전 범위, 전력 및 효율 측면에서 큰 장점을 가질 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 비 희토류 PMa-SynRM의 전자기 해석을 수행하였다. 영구자석 동기 전동기에 관한 선행된 해석방법으로는 공간고조파해석법과 자기등가회로(Magnetic Equivalent Circuit: MEC)해석법, 유한요소해석법(Finite Elemental Method: FEM)으로 크게 세 가지로 분류 할 수 있다.
공간고조파해석법은 비선형해석영역에서 Maxwell의 지배방정식과 경계조건을 이용하여 매우 정확한 해석결과를 얻을 수 있다. 그러나 모터 설계 과정에서 설계 파라미터의 수가 증가함에 따라 해석에 필요한 시간이 비약적으로 증가하는 단점이 있다.
FEM은 상용화된 소프트웨어를 기반으로 사용자 편의성과 신뢰성 높은 해석 결과를 제공한다. 그러나 사용자가 상용화된 소프트웨어를 사용하려면 높은 유지보수 비용을 지불해야 하기 때문에 접근성이 떨어지는 문제가 있다.
MEC는 비선형 해석 영역에서 정확도가 낮지만 설계 파라미터에 빠르게 대응할 수 있어 해석 시간에 대한 효율성이 높다는 장점이 있다. PMa-SynRM은 굉장히 많은 설계 파라미터를 고려하기 때문에 다양한 형상에 대한 빠른 해석이 요구된다. 이러한 이유로 MEC해석법을 통해 PMa-SynRM의 전자기 해석을 수행하고 FEM을 통해 해석결과를 비교하여 본 논문에서 수행한 전자기 해석 방법에 대한 타당성을 검증하였다.

Rare-earth permanent magnet synchronous motor (PMSM) have the advantage of being able to design high power and light weight using high magnetic fields. Rare-earth PMSM is rapidly increasing in eco-friendly industries such as electric vehicles and new renewable energy utilizing these advantages. However, Korea is completely dependent on imports due to the low productivity of rare earths and serious environmental pollution caused during the production process. The constant price instability of rare-earth permanent magnets causes many problems in terms of manufacturing and maintenance of rare-earth PMSM. Therefore, there is a growing need for non-rare earth PMSM that reduce the dependence on rare earths in various eco-friendly industrial fields.
To solve this problem, research on non-rare earth Permanent Magnet-assisted Synchronous Reluctance Motor (PMa-SynRM) is being actively conducted. PMa-SynRM has a rotor shape in which non-rare earth permanent magnets are embedded in a multi-layer structure. Through this, it is possible to concentrate the magnetic flux density of the non-rare earth permanent magnet. In addition, it can have great advantages in terms of wide operating range, power and efficiency by using magnetic torque and reluctance torque.
Therefore, in this paper, electromagnetic analysis of the non-rare earth PMa-SynRM was performed. Analysis methods for PMSM can be classified into three representative methods: Spatial harmonic analysis method, Magnetic equivalent circuit (MEC) method, Finite element analysis method (FEM). The spatial harmonics analysis method can obtain highly accurate analysis results by using Maxwell''s governing equations and boundary conditions in the nonlinear analysis domain. However, as the number of design parameters changed during the motor design process increases, the time required for analysis increases. FEM provides user convenience and highly reliable analysis results based on commercialized software. However, there is a problem in accessibility because users have to pay high maintenance costs to use commercialized software. MEC has low accuracy in the nonlinear analysis domain, but has the advantage of high time efficiency for analysis because it can respond quickly to changing design parameters. PMa-SynRM considers many design parameters, it requires fast analysis of various design.
For this reason, the validity of the analysis method was verified by comparing the analysis results of MEC and FEM.

#논문

목차 IV
표목차 V
그림 목차 VI
1장. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 내용 3
2장. 공극자속밀도 해석 4
2.1 회전자 구조에 따른 전자기 특성 4
2.2 PMa-SynRM의 특성 방정식 7
2.3 공극 자계 분 포 특성 고려 13
2.4 자기장하에 의한 자기등가회로 구성 15
2.5 슬롯 효과 고려한 공극자속밀도 22
3장. 회로 상수 및 전자기 특성 해석 24
3.1 상 저항 24
3.2 인덕턴스 25
3.3 쇄교자속 및 역기전력 27
3.4 토크 29
4장. 결론 30
참고 문헌 31
Abstract 34

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