영구자석형 동기전동기 (Permanent Magnet Synchronous Motor)의 벡터제어와 같이 자극의 위치를 기준으로 제어를 하는 경우 회전자의 위치 정보는 매우 중요하다. 그래서 위치정보를 얻기 위한 센서로 엔코더, 레졸버, 레치형 홀센서를 사용하는데 보통 가격이 싼 BLDC 모터의 경우는 레치형 홀센서를 많이 사용한다. BLDC 모터의 레치형 홀센서 대신 리니어 홀센서를 장착하여 절대위치를 추출하여 벡터제어를 한다.
이중 인버터를 이용한 개방 권선 전동기 구동 시스템에서 한 인버터의 DC 링크만 전원에 연결하고 추가된 인버터의 DC 링크는 전원에 연결하지 않는 경우, 전원이 연결되지 않은 인버터의 전압은 승압이 가능하게 된다. 때문에 일반적인 단일 인버터를 이용하여 전동기를 구동하는 경우보다 높은 전압을 전동기에 인가할 수 있게 되고, 따라서 약자속 영역에서 전동기가 더 많은 토크와 파워를 출력할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 본 논문에서 사용하는 이중 인버터의 경우 유효전력과 무효전력을 분리하여 제어하여야 하기 때문에 기존과는 다른 약자속 방법을 필요로 하게 된다. 따라서 본 논문에서는 표면 부착형 영구자석 전동기의 이중 인버터 구동 시스템에서 유효전력 분 전압의 크기를 최대화하는 약자속 제어방법을 제안하고 모의실험을 통해 그 효용성을 검증하였다.
본 논문에서는 영구자석의 형상을 변화시켜 표면 부착형 동기 전동기(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)의 토크리플을 저감하였다. 교류전동기의 경우 공극에 자속이 정현적으로 분포할수록 역기전력 파형이 정현파에 가까워지고, 토크리플이 작아진다. 위의 조건을 바탕으로, 자석의 사용 양을 동일하게 유지하면서 공간고조파를 최소화하기 위해 공극에 자속이 정현적으로 분포할 수 있도록 자석 형상에 모깎기를 적용하여 SPMSM의 최적설계를 진행하였다. 2D 유한요소해석법(Finite Element Method)을 이용하여 각 형상별 토크, 역기전력 등의 모터의 기본 특성들을 해석하여 영구자석 형상이 SPMSM의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다.
본 논문에서는 기존의 Particle Swarm Optimization (PSO) 알고리즘에 반발 속도 (Repulsion Velocity) 개념을 도입한 개선된 PSO 알고리즘을 제안하였다. 낮은 적합도를 가지는 지역을 멀리하는 성질을 모사한 것이 반발 속도의 개념이다. 반발 속도의 개념을 도입한 제안된 알고리즘은 기존의 알고리즘에 비해서, 더 좋은 수렴 특성을 가지고, 더 빠른 계산 특성을 가짐을 알 수 있었다. 시험 함수를 통해서 제안된 알고리즘의 검증을 수행하였고, 외전형 영구자석형 전동기의 최적화에 적용하여서 그 결과를 나타내었다.
본 논문에서는 자기포화특성이 두드러진 매입형 영구자석 동기전동기의 특성해석, 설계 및 제어에 응용할 수 있는 통합변수인 d-q축 쇄교자속(Flux Linkage)의 추출에 대하여 나타낸다. 특히, 영구자석과 전기자전류에 의한 Cross-Magnetization을 고려한 특성을 유한요소법(F.E.M)을 통하여 나타내며, 제작된 시작기 실험을 통하여 제안된 추출기법의 타당성을 나타낸다.
매입형 영구자석 동기전동기의 제어기법으로 많이 사용되는 단위전류 당 최대 토크제어기법이 제대로 적용되려면 전동기의 고정자 저항, 인덕턴스의 값, 그리고 영구자석에 의해 형성되는 쇄교 자속과 같은 전동기 상수들의 값을 정확히 알아야 한다. 이러한 상수들의 값은 내부 온도 및 전류 등의 변화에 따라 계속 변하기 때문에 정확하게 추정하기가 매우 어렵다. 본 논문에서는 적응제어기법을 이용하여 이러한 상수들의 값을 추정하는 알고리즘을 제시한다. 제시하는 알고리즘은 MRAS(Model Reference Adaptive System)기법으로 실제 전류의 값을 이용하여 상수들을 추정하게 된다. 제시하는 알고리즘의 우수성은 시뮬레이션을 통해 입증하도록 한다.
본 논문은 압축기 구동용 180 W급 매입형 영구자석 동기 전동기의 설계에 관하여 기술하였다. 먼저 전동기의 초기설계는 d-q 등가회로 모델을 이용한 해석기법을 이용하여 전동기 파라메타범위를 선정하고 이를 만족하는 초기형상을 도출하였다. 그리고, 전동기의 토크 리플을 저감하기 위해서 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 실험계획법과 반응표면법을 이용하였으며, 끝으로 설계결과에 대한 타당성은 실험을 통해서 검증하였다.
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.
본 논문은 단일 인버터를 이용하여 두 개의 표면부착형 영구 자석 동기 전동기를 위치, 속도 센서 없이 구동하는 방법을 소개한다. 기존에 두 개의 동기전동기를 병렬 구동하기 위해서는 위치센서를 반드시 필요로 하였다. 때문에 가격을 절감할 수 있다는 단일 인버터를 이용한 병렬 전동기 구동 시스템의 장점이 퇴색되었다. 본 논문에서는 단일 인버터를 이용한 병렬 전동기 구동 시스템의 센서리스 구동을 위한 새로운 구동 방법 및 제어 전략을 소개하고 실험을 통해 이를 검증하였다.
영구자석 동기전동기는 높은 출력밀도와 효율 확보가 가능하나, 제작에 필요한 재료의 가격이 비싸고 설계가 유도전동기 대비 다소 어려운 문제점을 가지고 있다. 따라서 효율 및 유지보수 편의성 등이 모두 고려된 최적의 전동기 개발 및 관련 제어연구가 필요한 실정이다. 뿐만 아니라, 실질적인 전동기에 의한 구동은 좁은 정격영역에서의 최고효율의 증대 요구와 전체 전기구동 영역에서의 평균 효율 증대, 평균 출력의 증대 요구로 이어지고 있다. 이러한 움직임에 의해 영구자석이 필요 없는 릴럭턴스 전동기 (Reluctance Motor)가 하나의 대안으로 검토되고 있다. 본 논문에서는 희토류 영구자석 전동기를 대체할 수 있는 미래기술 개발과, 희토류 저감형 전동기와 탈 희토류 전동기의 기술 선점을 요구하는 시대적 이슈 (Issue)에 맞춰 영구자석이 필요 없는 스위치드 릴럭턴스 전동기 (Switched Reluvtance Motor, SRM)에 대해 기계언어(C 언어)를 통한 modeling과 그에 따른 SRM의 특성을 연구하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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