전동기를 설계 시 자기등가회로법은 전동기의 세부 형상에 크게 구애를 받지 않기 때문에, 공간고조파법과 수치해석기법에 비해 유용하다. 이 논문에서는 Spoke type PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 회전자 자기등가회로를 설계하였다. 회전자 자기등가회로를 통해, 마그네틱 토크 성분을 구성하는 공극자속밀도 수식을 이끌어 낼 수 있다. 이를 통해, Spoke type PMSM은 마그네틱 토크가 주 토크이기 때문에, 공극 자속밀도 및 형상치수비를 이용하여 전동기의 크기를 계산하였다.
영구자석형 전동기는 높은 출력밀도를 가지므로 현재까지 많은 연구가 진행되어 왔다. 일반적으로 매입형 영구자석 동기전동기는 영구자석의 사용량이 많을수록 돌극비를 향상 시킬 수 있으므로 발생토크 성분 중 릴럭턴스 토크의 비중을 키울 수 있다. 이는 토크 발생 시 입력전류를 저감시켜 동손이 감소하고 효율을 증가시키는 효과를 기대할 수 있다. 본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 등가자기회로법를 이용한 설계에 대해 다루고자 한다. 등가자기회로법은 계산시간이 빠르고 전동기 구성인자들의 영향을 신속하게 살펴 볼 수 있으므로 초기설계에 많이 사용된다. 본 논문에서는 등가자기회로법을 이용하여 공극자속밀도를 산정한 후 슬롯을 고려한 relative permeance, 그리고 무부하 역기전력을 산정하고 최종적으로 유한요소법을 이용하여 검증한다.
본 논문에서는 설계변수 변화에 따른 특성을 빠른 시간 내에 파악할 수 있는 등가자기회로법(equivalent magnetic circuit method)을 활용하여 콜레노이드(colenoid) 타입의 선형 액츄에이터 설계 알고리즘을 제시하였다. 우선 선형 액츄에이터의 중요치수가 결정되면 등가자기회로법에 의해 슬롯 폭 비율 및 인가전류에 따른 클램핑력으로 파라미터 맵(parameter map)을 완성하고 이를 활용하여 효율적인 슬롯 폭 비율을 결정하였다. 또한 최대 클램핑력(clamping force)을 얻기 위해 극 폭 조절 알고리즘을 수행하여 최적의 극 폭 치수를 선정하였으며 이를 바탕으로 인가전류에 따른 클램핑력을 계산하여 40 kN 이상 출력하기 위한 최적의 극 수, 극 폭 치수 및 인가전류를 결정하였다. 제안된 설계 알고리즘은 최적설계 방법인 반응표면법(response surface method)과 비교하여 제안한 설계 알고리즘의 타당성을 검증하였다.
철도차량용 선형유도전동기(Linear Induction Motor, LIM) 축소-회전형 모델의 기본 설계 결과를 검증하기 위하여 LIM의 자기등가회로법을 이용한 파라미터 도출 및 특성 계산을 수행하였다. LIM의 경우, 자기등가회로상의 파라미터는 LIM의 전기자 코어와 2차측 알루미늄 도체판의 형상 및 공극에 대한 함수로써 표현이 가능하다. 즉 전기자 코어와 2차측 알루미늄 도체판의 형상 및 공극 변경에 의해 LIM의 특성이 크게 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 철도차량용 LIM 축소-회전형 모델의 공극, 2차측 AL-Plate의 두께, 오버행 길이, 형상 변경에 따른 LIM 축소-회전형 모델의 자기등가회로 파라미터 및 특성의 변화 추세를 분석하여, 철도차량용 실모델 LIM 개발을 위한 기초 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 MR 유체를 특징으로 하는 대시포트형 마운트를 제안하고, 자극 형상의 변화가 MR유체 마운트의 감쇠력에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 제안된 MR유체 마운트의 코어부에 발생하는 자기 특성에 대하여 살펴보기 위하여 자극(Magnetic pole)의 유효길이와 코어 중심부의 구조를 달리하여 대시포트를 제작하였다. 등가자기회로를 이용한 대략적인 계산방법에 의한 결과 자극의 유효길이가 증가할수록 자기저항은 감소하는 경향을 나타내지만, 그 밖의 설계인자들의 영향은 작게 나타났다. 상용해석프로그램을 이용하여 등가자기회로 결과와 비교를 하였으며, 대시포트 마운트를 제작하여 자극의 유효길이 변화에 대한 감쇠력의 변화를 실험적으로 비교하였다.
유도기의 과도 상태를 해석하기 위해 시간 차분 유한요소법 대신 자기 등가 회로법을 적용하기 위한 연구가 있어왔다. 이 방법은 기기의 각 부분을 자기적 회로로 변환하여 해석하는 것으로 계산 시간이 짧고 정화한 장점이 있다. 이 방법으로 해석하기 위해서는 기기의 각 부분을 자기적 요소로 바꾸어야 하고, 에너지 변환이 일어나는 공극을 퍼미언스로 나타내야 한다. 따라서 이 논문에서는 먼저 자기 등가 회로법으로 해석할 수 있도록 공극 퍼미언스로 구성되는 매트릭스를 제시하여, 차후 시스템 매트릭스를 구성할 때 사용코자 한다.
본 연구에서는 MR 유체를 특징으로 하는 대시포트형 마운트를 제안하고, 제안된 MR유체 마운트의 동적지 배방정식을 구하였다. 또한, 자극의 구조 및 형상과 관련된 설계인자의 변화가 솔레노이드에서의 자계 발생에 미치는 영향에 대하여 관찰하였다 솔레노이드에서 발생하는 자기 특성에 대하여 살펴보기 위하여 자극의 유효길이와 코어 중심부의 구조를 달리하여 설계인자로 선정하였다. 등가자기회로법를 이용하여 솔레노이드에서의 자기 특성의 변화를 살펴보고, 이를 상용소프웨어에 의한 계산 결과와 비교하였다. 등가자기회로법에 의한 계산 결과, 자극의 유효길이가 증가할수록 자기저항은 감소하여 자속밀도가 증가하는 경향을 나타내지만, 그 밖의 자기 특성의 변화는 작게 나타났다. 상용 소프트웨어를 이용한 결과와 등가자기회로에 의한 결과는 유사한 경향을 나타내는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 철손과 와류손이 고려된 등가회로를 이용하여 고속 영구자석 전동기의 정밀한 특성분석을 수행하였는데, 철손과 와류손으로 구성된 자기적인 손실을 등가저항으로 취급하고 이들이 포함된 등가회로를 이용하여 등가 손실저항과 정격 전류를 수치해석으로 계산하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 단일 DGS를 사용하여 다중의 주파수 대역을 억압할 수 있는 슬롯형 DGS를 제안하였다. 제안된 구조는 동일 평면 도파관 전송 선로(CPW: Coplanar Waveguide)의 접지 면에 서로 다른 크기의 맴돌이 형태의 슬롯 DGS들을 신호 선에 대하여 횡축으로 삽입하여, 다중 주파수 대역을 억압할 수 있도록 설계되었다. 제안된 구조를 제작하였으며, 시뮬레이션 결과와 측정된 결과가 상당 부분 일치하는 것을 확인하였다. 또한 제안된 구조에 대한 등가 회로 모델을 제시하였다. 제안된 등가 회로는 접지 면에 위치한 DGS를 LC 공진기들로 표현하였으며, 이러한 공진기들이 신호선과 자기적으로 결합한 것으로 모델링 하였다. 등가 회로를 해석하여 다중의 공진 주파수 특성이 나타남을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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