고효율 유도전동기는 일반 유도전동기의 발생 손실을 절감시킨 것으로 적은 소비전력으로 에너지를 절약하고, 운전비용이 낮아서 단기간에 초기 설비투자 비용회수가 가능하고, 온도상승이 크지 않아 전동기 수명을 연장시킬 수 있다. 이에 포스코아에서는 이제까지의 경험을 바탕으로 전기 연구원과 협력하여 고효율 유도전동기 개발에 나섰다. 본 논문에서는 고효율 유도전동기 소형모터금형개발에 관하여 연구하였다.
고효율 전동기의 국내외 기숙현황을 분석하여 보면 미국, 캐나다, 일본등 선진국에서는 핵심기술을 발전시키는 단계이며, 효과적인 수요관리 프로그램을 마련하여 고효율 전동기의 사용을 확대해 나가고 있다. 따라서 전동기 산업의 국네 경쟁력을 향상시키고, 수요관리 측면에서 적극적인 에너지 절약을 위해서는 고효율 전동기 설계기술, 시험평가기술, 재료기술 및 생산기술 개발에 투자가 이루어 져야하고 정부의 지원하에 산,학,연의 협동체제를 구축하여 체계적이고 대체적으로 추진하여야 할 것이다.
내연기관 차량의 경우 이상적인 자동차의 운전기관을 만들기 위해 기계적 변속기를 사용하지만, 전기자동차의 전동기는 이상적인 자동차 운전곡선과 일치한다. 그러나 전동기의 효율은 운전 영역에 따라 큰 차이 보인다. 일 충전 주행거리는 전동기의 최대 효율점이 아닌 평균효율 범위에 따라 결정된다. 따라서 넓은 고효율 범위를 가지는 것이 중요하다. 본 논문에서는 병렬 회로 수 변경방식의 고정자 권선 전환방식을 적용하였다. 분석결과를 통해 유한요소법(FEM)을 사용하여 매입형 영구 자석 동기 전동기(IPMSM)의 고효율 범위를 확대하는 연구를 하였다.
유도전동기는 단일기기로서 가장 많은 전력을 사용하고 있는 부하로서, 우리나라의 전력사용량 중 약 40%를 소비하고 있다. 따라서 유도전동기의 고효율화는 시급한 국가적 과제이다. 본 논문에서는 고효율유도 전동기의 보급에 있어서 가장 큰 장애요인인 초기구입비 상승에 따른 구매기피를 극복하기 위한 여러 방안 중 가장 효과적인 방법으로 알려진 고효율유도전동기 리베이트제도의 시행방안을 수립하고 이의 경제성을 평가한다. 그리고 리베이트제도로 전환된 고효율유도전동기의 시장을 유지하기 위한 강제규정으로서 최저효율제와의 연계방안을 수립한다.
선진 각국에서는 고효율, 친환경 에너지 공급 및 이용 기술, 그리고 효율적인 에너지 절약 기술 개발에 관한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구 중 항공기 분야에서는 전동기로 프로펠러를 회전시키는 전기추진 항공기에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 소형 항공기 추진용 전동기는 엔진과 함께 소형 항공기의 주 구동원으로서 중요성이 강조되고 있다. 또한 근래에 전동기의 비중이 커짐에 따라 고출력, 고효율화 되고 있는 추세이다. 본 논문에서는 항공 운항 패턴 중 이륙, 상승, 순항구간에 따라 각각 요구하는 성능을 만족하는 고출력, 고효율 전동기 개발에 대해 다루었다.
유도전동기는 설계기술, 해석기술, 재료(코어, 마그넷 와이어, 절연재료 등) 제조기술 등의 개발로 그 특성의 향상, 소형$\cdot$경량화, 저소음$\cdot$저진동, 코스트다운 등을 도모하여 왔다. 그러나 최근에 지구환경 보호와 에너지자원의 고갈 등으로 인한 위기감에서 에너지절약과 고효율화의 움직임이 가속되고 있어, 유도전동기에 대해서도 보다 고효율화에 대한 요구가 높아지고 있다. 미국이나 캐나다에서는 규격과 법률에 의한 유도전동기에 대해서도 보다 고효율화에 대한 요구가 높아지고 있다. 미국이나 캐나다에서는 규격과 법류엥 의한 유도전동기의 효율 규제가 개시되고 있으며 유럽, 일본에서도 이에 따라가고 있는 경향이다. 이와 같은 요구에 응하기 위하여 신시리즈의 고기능$\cdot$에너지절약 모터 ''수퍼라인 에코시리즈''를 개발하였다. 수퍼라인 에코시리즈는 권선 및 슬롯의 설계최적화, 고자속 밀도 및 저철손 철심재의 개발, 슬롯 조합의 최적화 등에 의하여 동손$\cdot$철손$\cdot$표류손 등의 손실을 저감시킴과 동시에 고성능 바니시의 개발, 베어링 그리스 및 베어링 하우징 재료의 개량 등으로 다음과 같은 특징을 갖고 있다. (1) 업계 최고급 고효율 일본 JEMA 기준치와 미국 EPAct 기준치를 만족하는 업계 최고급 고효율$\cdot$에너지절약 모터 (2) 인버터 구동에 최적의 특성 및 성능 (3) 내환경성의 강화, 장수명화 습도 100$\%$ RH, 베어링의 장기 Maintenance Free화 (4) 저진동 및 저소음
본 논문에서는 37kw이하 공용코어용 고효율 유도전동기 시제품 제작하였다. 시제품을 제작하기위해서는 전동기설계 및 해석이 필요하다. 방법으로는 전동기기본설계, 실험계획법, 등가회로법, 유한요소법 등이 있다. 이중에서 실험계획법에는 최적설계, 주요인자, 최적영역 등으로 나누어 분석할 수 있다. 설계 및 해석한 결과를 가지고 특성을 분석하고 재료비 및 효율을 비교하게 된다. 이를 바탕으로 5.5kw, 7.5kw, 11kw, 15kw 4극, 6극 공용코어용 고효율 유도전동기 시제품을 제작하였다.
고효율 유도전동기는 일반 유도전동기의 발생 손실을 절감시킨 것으로 적은 소비전력으로 에너지를 절약하고, 운전비용이 낮아서 단기간에 초기 설비투자 비용회수가 가능하고, 온도상승이 크지 않아 전동기 수명을 연장시킬 수 있다. 이에 포스코아에서는 이제까지의 경험을 바탕으로 전기 연구원과 협력하여 고효율 유도전동기 개발에 나섰다. 본 논문에서는 고효율 유도전동기 소형모터금형개발에 관하여 연구하였다.
최근에는 파워툴(Power tools)과 가전 제품에 있어서 전자적인 전류(commutation)를 사용하는 새로운 형태의 브러시리스 전동기인 플럭스 스위칭 전동기(Hux switching motor)에 대한 관심이 점차적으로 증가되고 있으며, 특히 팬과 펌프 시장에 있어서는 그린 정책으로 인하여 플럭스 스위칭 전동기에 대한 관심이 급격히 증가되고 있다. 플럭스 스위칭 전동기는 유도전동기에 비해서는 높은 전력 밀도(power density)와 상대적으로 높은 효율,그리고 브러시리스 DC 전동기에 비해서는 간단한 전동기 구조와 가격 경쟁력이라는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에 서는 팬 용도로 제작된 12/6 폴을 가지는 플럭스 스위칭 전동기의 동작원리와 고효율 드라이브의 타당성을 검증하기 위해서 TMS320F2812 DSP를 이용한 실험 결과를 제시한다.
고효율 유도전동기 금형기술은 고효율 유도전동기의 핵심 부품인 코어(철심)의 제조를 위한 핵심기술이며, 전동기 산업분야의 국가경쟁력 제고를 위해서는 필수적으로 확보하여야 하는 기술 이다. 본 논문에서는 고효율 유도 전동기용 코어를 소형과 대형의 2벌의 프로토 타입 금형으로 설계 및 제작하여 프레스에 장착하여 시험타출하였고 그 결과를 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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