본 논문은 매입형 영구자석 동기전동기의 속도 센서리스의 제어 방법에 관한 것이다. 매입형 영구자석 동기전동기의 센서리스 구동을 위하여 적응 적분바이너리 관측기와 적응 슬라이딩 모드 관측기를 이용하였다. 두 관측기의 성능 비교를 위하여 매입형 영구자석 동기전동기의 고정자 전압방정식으로부터 각각 관측기를 구성하였고, 동일한 시스템에서의 실험을 통하여 관측기의 성능을 비교하였다.
초전도 물질을 응용하는 한분야로써 지금까지의 선박 추진과는 완전히 다른 새로운 추진방식인 전자유체(MHD) 추진방식은 차세대 선박 추진장치로 큰 관심을 끌고 있습니다. 현재까지의 연구결과 그 가능성은 충분히 입증되었다고 볼수 있으나, 실용화의 최우선 과제는 강력한 자장을 발전시키는 초전도 자석의 개발에 있습니다. 이러한 강력한 초전도 자석 개발은 수십년 내에 반드시 이루어질 것으로 예측되고 있어서, 초전도 자석을 제외한 주변분야 및 관련장치들에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 연구되고 있습니다
단상 전원에 의해 기동 및 운전되는 영구 자석형 동기전동기는 일반 단상 유도전동기에 매우 높은 효율을 갖게 되지만, 회전방향을 정하기가 어렵다. 본 연구에서는 커패시터를 사용하는 커패시터 운전 유도 전동기와 같은 구조에 회전자를 영구자석을 사용하는 경우에 대하여 연구하였다. 즉, 회전자 조건에 따른 기동 조건을 계산하고, 이로부터 회전방향을 결정할 수 있어 고효율로 팬부하와 같은 기동토크가 작은 부하에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
Nd-Fe-B계 소결자석의 특성을 향상시키기 위해서는 Nd-Fe-B계 합금의 조성 및 제조공정을 조절하여 자성분말의 입도 및 입도분포, 강자성상인 N $d_2$F $e_{14}$B상의 분율, 자성분말의 배향도, 산소 함량, grain size 등과 같은 factor들을 최적화 하여야 한다. 본 연구에서는 실험실 규모로 Nd-Fe-B계 합금 조성 및 공정 조절을 통하여 Nd-Fe-B계 소결자석을 제조하는 연구를 수행하였으며, 분쇄매체 분쇄시간 및 ball size에 따른 Nd-Fe-B계 소결자석의 자기적특성을 분석하여 최적의 분쇄조건을 조사하였다. 또한 분쇄공정 중 FeGa합금을 첨가하여 잔류자속밀도의 감소없이 Nd-Fe-B계 소결자석의 보자력을 향상시킬 수 있었다. 이와 같은 분쇄 조건의 연구, FeGa 합금에 의한 보자력 향상, 건식분쇄 방법 및 powder blending 공정을 적용하여 잔류자속밀도( $B_{r}$,) : 14.4kG, 보자력($_{i}$$H_{c}$) : 9.4kOe, 최대자기에너지적((BH)$_{\max}$) : 47 MGOe의 자기적 특성을 갖는 Nd-Fe-B계 소결자석을 제조하였다.
본 논문에서는 페라이트자석을 사용하고 있는 BLDC 전동기를 희토류 자석을 사용하는 전동기로의 설계를 다루고 있다. 최근 전기기기가 소형 경량화 됨에 따라 자석 성능이 우수한 희토류 자석을 이용한 전동기가 많이 사용되고 있다. 그러나 전기제품 메이커들은 기존의 설계를 유지하려는 경향이 있다. 본 연구에서는 전기기기에 취부되는 전동기의 외형을 그대로 하고 내부의 설계만 희토류 자석으로 변경하는 설계를 한다. 설계를 간단히 하기 위해 유한 요소법의 상용 패키지를 반복적으로 사용하였고 코깅 토오크를 줄이기 위해 고정자 요크와 고정자 단의 그루브를 설계하였다.
1980년대 이후로 등장한 Nd-Fe-B 소결자석은 뛰어난 자성특성을 나타내며, 원재료도 풍부하기 때문에 단위 자기 에너지당 가격은 비교적 저가이다. 따라서 대부분의 기존 Sm-Co와 주조 Al-Ni-Co 자석재료를 대체하며 다양한 첨단사업의 핵심소재로 적용되며, 자동차 및 의료기기 등 산업 전반에 사용되고 있다. 이러한 응용 중에서도 향후 녹색성장을 위한 신성장동력 산업인 하이브리드 자동차의 구동 모터로서 사용되는 대표적인 영구자석이다. 현재 개발된 Nd계 영구자석은 큐리온도가 낮고 높은 온도에서 자기적 성능의 열화가 심하게 진행된다는 단점이 있기 새로운 합금 설계 및 공정의 최적화를 통해 보자력을 향상 시킴으로써 사용온도를 $200^{\circ}C$ 정도로 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 일반적인 제조공정을 통해 제조된 소결체의 미세구조에 변화시키기 위하여 약 $10^{-5}$ Torr의 진공분위기에서 $10^{\circ}C/min$의 승온/냉각속도로 $350^{\circ}C$부터 $450^{\circ}C$ 구간에서 2 사이클부터 8 사이클까지 승온과 냉각을 반복하는 열처리를 수행하였다. Nd-Fe-B 소결자석을 $350^{\circ}C{\sim}450^{\circ}C$ 온도구간에서 반복적인 열처리를 수행한 결과 열처리 사이클에 따라 보자력 특성이 다르게 나타내었다. 이에 승온과 냉각을 반복하며 나타난 미세구조의 변화가 자성특성에 어떠한 영향을 미쳤는지에 대해 고찰하였다.
이방성 희토류 본드자석은 자성분말과 유기 바인더로 구성되며 본드자석 내에서 유기 바인더는 분말의 배향을 유리하게 하는 역할을 한다. 유기 바인더는 고분자 수지, 활제, 경화제, 커플링제 등으로 구성되며 자성분말에 적합한 유기 바인더를 제조하기 위해 본 연구에서는 다양한 성분을 선정하여 유기 바인더를 제조하였고 구성비 및 첨가량을 조절하여 이를 본드자석에 적용하였다. 특성평가를 통해 자기특성 및 기계적 특성을 측정하였고 이로부터 본드자석에 적합한 유기 바인더의 성분 및 비율을 확인하였다.
BLDC 전동기의 코깅토크는 영구자석과 철심의 상호작용에 의해 발생하고 소음과 진동을 발생시키는 요인이다. 제조 과정에서 조립 공차로 인해 영구자석이 회전자 철심 면에 제대로 붙지 않을 경우 BLDC 전동기의 전자기적 구조가 변할 수 있다. 본 논문에서는 조립 공차로 인해 자석이 회전자 표면과 분리되었을 때 코깅토크에 미치는 영향에 대해 연구했다. 핵심적인 설계 요소들인 회전자와 자석 간 분리, 분리를 가진 자석 수, 이웃한 자석들 간의 여러 배치형태를 고려했다. 코깅토크 해석을 위해 유한요소법을 사용하였고, 소음진동을 발생시키지 않는 조립 공차를 제안했다. 제안된 조립 공차로 제작된 BLDC 전동기의 코깅토크는 감소되었고 소음진동 또한 줄어들 것이라고 판단된다.
자석에 대한 인간의 관심은 긴 역사를 가지고 있으며, 또한 자석을 바라보는 시선도 다양했다. 과거에는 과학자의 시선이 아니라 철학자의 눈으로 바라다 보기도 하였다. 이 글에서는 과거 우리나라에서 자석을 어떻게 인식해왔는가를 다루어보고자 한다. 자석과 관련된 내용을 시기적으로 분류해 보면 1) 자성(磁性)의 인식기 2) 극성(極性)의 인식기 3) 근대지식의 유입기로 나눌 수 있다. 한국사 전체에서 보면, 신라에서 자석을 생산하였다는 기록을 찾을 수 있었으며 고려시대 기록에서는 자석에 관한 자료를 찾을 수 없었다. 자석에 대한 관심은 조선시대에 들어와서 고조된 것으로 보인다. 그 중에서도 풍수 즉 양택과 음택의 입지와 관련하여 가장 많이 이용되었다. 조선시대에는 항해에 자석을 사용하였다는 기록도 확인된다. 그밖에 의외의 사용처로는 약재의 일부로 쓴 경우를 볼 수 있다.
본 연구에서는 철도차량용 추진시스템에 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)를 적용하기 위하여 110kW급 고출력밀도 IPMSM을 집중권/분포권 모델로 각각 설계하였다. 집중권 모델은 6극 9슬롯 구조이고, 분포권 모델은 6극 36슬롯 구조이다. 일반적으로 IPMSM의 영구자석에서의 와전류 손실은 슬롯 고조파에 의해 발생된다. IPMSM의 고속 회전 시 와전류 손실에 의한 영구자석의 열적 감자현상은 특히 집중권 IPMSM에서 주요 문제가 된다. 영구자석에서의 와전류 손실을 줄이는 설계는 고속 운전을 필요로 하는 철도차량 추진시스템용 IPMSM 설계에 있어서 중요하다. 그러므로 본 논문에서는 영구자석에서의 와전류 손실을 줄이기 위하여 영구자석을 분할하는 방법을 제안한다. 저자는 영구자석의 분할 개수를 변화시면서 IPMSM 집중권 모델의 영구자석에서 발생되는 와전류 손실의 변화 특성을 분석한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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