영구자석 버니어 전동기의 자계변조 분석 및 최적화에 관한 연구 :

장대규

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장대규 (동아대학교, 동아대학교 대학원)

지도교수: 장정환

발행연도: 2019

저작권: 동아대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수38

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2019

영구자석 버니어 전동기의 자계변조 분석 및 최적화에 관한 연구

장대규 전기공학과 2019.01 학위논문

2018

고조파 성분에 의한 영구자석 표면부착형 버니어 전동기의 자계변조 특성에 관한 연구

장대규 , 장정환 대한전기학회 학술대회 논문집 2018.07 학술대회자료

2016

고정자 형상에 따른 영구자석 표면부착형 버니어 전동기의 토크 특성 및 전자기적 가진력 분석

장대규 , 장정환 대한전기학회 학술대회 논문집 2016.07 학술대회자료

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영구자석 버니어 전동기는 자계변조 현상을 이용하여 저속에서 고토크의 동력을 생성하는 특수 전동기의 한 형태로써 최근 많은 관심을 받고 있다. 자계변조 현상은 권선 또는 영구자석의 기자력이 고정자 철심의 돌극 구조에 의해 변조되어, 극수와 회전속도가 모두 변화된 공극 자계가 생성되는 현상을 의미한다. 그리고 영구자석 버니어 전동기에서 고정자 철심의 돌극을 자계변조 극 (Flux modulation pole, FMP)으로 표현한다. FMP에 의해 권선 자계는 영구자석의 극수에 대응하는 자계로 변조되고, 영구자석 자계는 권선 자계의 극수에 대응하는 자계로 변조된다. 이와 같은 특성에 의해 극수가 서로 다른 권선 자계와 영구자석 자계는 자기적으로 동기화되어 영구자석 버니어 전동기의 출력토크를 생성한다. 자계변조 특성은 영구자석 버니어 전동기의 성능을 결정하는 주요한 특성임에도 자계변조 현상을 분석하여 전동기에 효과적으로 응용하기 위한 연구는 활발하게 이루어지지 않고 있다.
본 논문에서는 공극 퍼미언스법을 이용하여 출력토크에 기여하는 자계변조 특성을 분석하고 최적화하는 방법을 제안한다. 공극 퍼미언스법은 권선 또는 영구자석의 기자력 분포와 FMP 형상에 의한 공극 퍼미언스 분포를 푸리에 급수 형태의 함수로 유도하여 공극 자속밀도 분포를 해석하는 방법이다. 권선 기자력의 고조파는 공극 퍼미언스 고조파에 의해 변조되어 공극 자속밀도의 고조파를 생성한다. 그리고 변조된 고조파 성분 중 하나의 고조파만이 영구자석의 자계와 동기화되어 토크를 발생시킨다. 출력토크에 기여하는 자속밀도의 고조파를 구동 고조파로 정의하고, 구동 고조파를 생성하는 자계변조 현상을 분석한다. 다양한 자계변조의 현상을 분석하기 위해 공극 퍼미언스의 모든 고조파 성분들이 고려되었다. 영구자석버니어 전동기에서 권선 기자력의 모든 고조파들은 서로 다른 자계변조 현상에 의해 구동 고조파를 생성할 수 있고, 이를 위해서는 특정한 공간 차수의 공극 퍼미언스 고조파 성분이 필요함을 확인하였다.
분석한 자계변조의 특성을 검증 및 최적화하기 위해 해석모델을 선정하였고, 권선 기자력과 공극 퍼미언스 분포를 푸리에 급수 형태의 함수로 유도하였다. 특히, 공극 퍼미언스의 고조파 특성에 기초하여 FMP 형상을 설계하기 위해 공극 퍼미언스 고조파의 푸리에 계수를 FMP의 형상 변수에 관한 함수로 정리하였다. 그리고 분석한 자계변조의 특성을 바탕으로 구동 고조파의 크기를 FMP 형상 변수에 관한 함수로 유도하였고, 유도한 수식에 유전 알고리즘을 적용하여 구동 고조파의 크기를 최대화하는 형상 변수들의 최적 해를 도출하였다. 유한요소법을 이용하여 FMP의 형상 최적화를 통해 영구자석 전동기의 구동 고조파와 평균토크가 상당히 개선될 수 있음을 확인하였다. 또한, 슬롯수와 FMP의 개수는 동일하지만 권선법이 서로 다른 영구자석 버니어 전동기를 선정하여 권선 기자력 분포의 고조파 특성에 따라 달라지는 자계변조 특성을 분석하였다. 권선법이 서로 다른 영구자석 버니어 전동기의 FMP 형상을 제안한 설계방법을 적용하여 최적화하였고, 유한요소법과 시제품 전동기의 성능 실험을 통해 설계방법의 타당성을 검증하였다.
영구자석 버니어 전동기의 구동 원리에 기초한 본 연구의 결과는 다양한 구조의 영구자석의 버니어 전동기에 확대 적용이 가능하며, 각 전동기의 출력토크 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

Recently, permanent magnet vernier (PMV) motors have received increasing attention because of their high torque capability at low speed. The PMV motors have different numbers of stator and rotor poles. However, the magnetic fields excited by the armature windings and the rotor PMs are coupled by the phenomenon called magnetic flux modulation. Such magnetic coupling facilitates their high torque capability. It indicates that the output torque of the PMV motors is determined by the magnetic flux modulation characteristics.
The aim of this paper is to analyze and optimize the magnetic flux modulation characteristics which have an influence on the output torque by using the air-gap permeance method. The harmonics of the winding magneto-motive force (MMF) are modulated into the flux density harmonic of which the order is same as the number of the pole pairs of the rotor PMs. Then, the modulated harmonic generates the torque by synchronizing the magnetic field of the rotor PMs. The synchronized harmonic of the flux density is defined as the working harmonic. In the previous research, the permeance harmonic which has the harmonic order of the FMP number is only considered. In this paper, however, the phenomenon of the magnetic field modulation for the working harmonic are analyzed by considering all harmonics of the permanence. The analysis results show that all of the winding MMF harmonics can be modulated into the working harmonic by the permeance harmonics of the particular orders.
To verify and optimize the magnetic flux modulation characteristics, the analysis model is selected. In addition, the winding MMF and permanence distributions are derived as the Fourier series forms. To design the FMP shape based on the harmonic characteristics of the permeance, the Fourier coefficients are derived as the functions of the design variables. It leads to formulate the amplitude of the working harmonic into an analytical equation including the design variables. Thus, in the analytical equation, the optimal set of the design variables for the FMP shape can be obtained by using the genetic algorithm on the condition for maximizing the working harmonic. The finite element analysis results show that the optimal FMP shape can improve the working harmonic and the output torque considerably. For the three types of the PMV motor with different winding configurations, the FMP shapes are optimized by using the proposed method. In addition, the effects of the optimal FMP shapes are verified by the experiment for the prototypes.
This study is based on the operational principle of the PMV motor. Hence, the magnetic flux modulation characteristics investigated in this paper can be applied to the other topologies of the PMV motor as well and can contribute to improving their output torque.

제 1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 내용 및 구성 4
제 2장 영구자석 버니어 전동기의 구동원리 6
2.1 동축 마그네틱 기어 6
2.2 영구자석 버니어 전동기 11
2.2.1 영구자석 자계의 변조 현상 12
2.2.2 권선 자계의 변조 현상 17
2.3 권선 기자력의 자계변조 해석 수식 20
제 3장 권선 기자력의 자계변조 특성 분석 22
3.1 해석모델 22
3.2 권선 기자력 분포의 수식적 모델링 24
3.3 공극 퍼미언스법을 이용한 자계변조 특성 분석 28
3.4 유한요소법을 이용한 자계변조 특성 분석 32
3.4.1 공극 자계 해석방법 32
3.4.2 기존의 FMP 설계변수에 의한 자계변조 특성 37
3.4.3 제안한 FMP 설계변수에 의한 자계변조 특성 41
제 4장 자계변조 특성을 최적화하는 FMP 형상 설계 49
4.1 공극 퍼미언스 분포의 수식적 모델링 49
4.2 FMP 형상 최적설계 60
4.3 유한요소법을 이용한 전동기 성능 분석 70
제 5장 권선법에 따른 자계변조 특성 최적화 73
5.1 해석모델 73
5.2 권선 기자력 분포의 수식적 모델링 75
5.3 공극 퍼미언스 분포의 수식적 모델링 81
5.4 FMP 형상 최적설계 85
제 6장 시제품 전동기 제작 및 성능평가 93
6.1 시제품 전동기의 제작 사양 93
6.2 시제품 전동기 실험 결과 95
제 7장 결론 99
참고문헌 102
Abstract 109

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