고출력밀도 영구자석 전동기의 와전류 손실 해석에 관한 연구

Abstract

본 논문은 영구 자석 전동기의 회전자 부분에서 발생하는 와전류 손실에 대한 해석 알고리즘에 대해서 기술하였다. 영구자석 전동기에서 발생하는 와전류 손실은 도전율을 가지고 있는 영구 자석이나 고속 운전시 영구 자석의 비산을 방지하기 위한 구조인 리테이너 부분에서 발생하게 된다. 여기서 발생하는 와전류 손실이 과도한 경우, 영구 자석의 고온 감자를 초래하게 되어 전동기의 성능 저하의 결정적인 요인이 된다. 회전자의 냉각은 그 구조적인 특성 상 고정자에 비해 어려워 더욱 문제시 된다고 할 수 있다. 일반적으로 영구자석 전동기의 와전류 손실을 저감시키기 위하여 와전류가 발생하는 부분의 적층 방향 또는 반경 방향으로의 분할을 도입한다. 이러한 전동기의 와전류 손실 해석 시 도전체의 분할 효과를 고려하기 위해서는 3 차원 유한 요소 해석이 필요하지만,과도한 해석 시간의 문제 때문에 이를 전동기 설계 단계에서 적용하기에는 어려움이 크다. 본 논문에서는 유효 도전율의 개념을 도입하여 3 차원 유한 요소 해석을 거치지 않고서도 도전체의 분할 효과를 고려할 수 있는 와전류 손실 해석 기법을 제안하였다. 또한 해석의 정확성을 향상시키기 위하여 고속 구동 시 발생하는 표피 효과를 고려하는 기법을 제시하였다. 또한 와전류 손실의 주파수 특성을 분석하기 위하여 고조파 성분 분석을 수행하였다. 본 논문에서 제안된 와전류 해석 기법은 3 차원 유한 요소 해석을 거치지 않기 때문에 해석 시간이 짧고 그 정확성 면에서는 3 차원 유한 요소 법에 비해서 떨어지지 않는 장점이 있다. 논문에서 제안된 알고리즘의 검증을 위하여 고속 고출력 영구 자석 전동기를 설계 및 제작하였다. 제안된 기법을 이용하여 얻어진 손실 결과를 바탕으로 열 해석을 수행하였고, 이러한 열 해석 결과와 전동기 온도 상승 실험 결과를 비교하여 제안된 알고리즘의 타당성을 검증하였다.

This paper deals with the eddy current loss analysis in the rotor of permanent magnet machine. Eddy current loss in the permanent magnet machine is generated in the permanent magnet which is conductive and the retainer which protects the permanent magnet against the centrifugal force in case of high speed operation. Temperature rise due to the eddy current losses in the rotor can affect the performance of the permanent magnet. This is a critical problem for the designers of electric machine. These losses, especially eddy current losses in the conductive part of the rotor, cause heat which cannot easily be mitigate due to the mechanical structure. The most common means of reducing the eddy current losses is to divide them into smaller parts vertically or horizontally. The analysis for this segmentation structure is only possible in 3D-FEM (Finite Element Method) and though this requires a considerable amount of time during design step. Therefore, it is necessary to calculate the eddy current losses rapidly and accurately. In this paper, the concept of effective conductivity is introduced to solve the segmentation problems not to use 3D-FEM. Also, in order to improve the accuracy of the proposed method, the skin effect which occurs in high speed driving region is considered. In order to analyze the frequency characteristic, a FFT analysis is also performed on the harmonic components of air gap flux density. Eddy current analysis technique in this paper has a little calculation time not to use 3D-FEM and has a high accuracy compared with 3D-FEM. For a verification of proposed algorithm, high speed permanent magnet motor which has high power density is designed and manufactured. The thermal analysis result which is based on the loss analysis result is also demonstrated and it is verified to compare with the thermal experimental results.