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환경오염의 심화와 선진국의 에너지 절감 제품에 대한 수입 규제 등으로 인하여 에너지 절약형 제품 개발 중요성이 높아져가고 있다. 에너지 절감제품에 대한 규정 및 소비자들의 고효율 제품에 대한 인식이 높아져 단상유도전동기의 효율 향상은 필수적이라고 할 수 있다.

단상유도전동기의 특성 해석 및 설계 기법을 확립한 90[W]급과 750[W]급 고효율 단상유도전동기가 기존의 저효율 단상 유도전동기에 대체되면, 에너지절감과 수출증대가 될 것으로 기대된다.  <편집자 주>

제3장 연구개발수행 내용 및 결과

나. 2차년도 기술 개발

1) 등가회로 정수 산정방법 개선

가) 등가회로 프로그램 오류 발견

1차년도 설계 모델 1과 설계 모델 2에서 고정자 권선면적을 동일하게 했을 경우의 선경 및 권선 턴수 변화에 대한 설계를 1차년도에 개발된 등가회로 해석 프로그램으로 설계를 진행하였다.

설계되어진 2차년도 고정자 권선면적 동일 설계 안에 따라 시작품을 제작하였다. 제작 및 실험 결과 해석 결과와 정격효율 및 기동토크 특성을 만족시키지 못하였다. 해석, 실험결과가 다른 이유는 등가회로 프로그램에서 규소강판의 재질 데이터 및 코어의 자속밀도가 고려되지 않았기 때문이다.

나) 고정자 권선 면적 최대 설계

실제 모터 제작 상에서 고정자 권선의 최대 제작 가능 면적을 계산하였으며, 계산결과 1차년도 권선 면적인 18.85mm에서 20mm까지 제작 가능함을 확인하였다. 최대 권선 면적 증가에 따라 고정자 권선을 재설계 하였으며, 시작품을 제작하여 확인하였다.

다) 등가회로 프로그램 개선

두 차례 설계에서 1차년도에 개발된 등가회로 해석 프로그램을 적용한 결과, 최대출력 및 최대토크의 계산에서 비교적 큰 오차가 발생하였으며 그 원인으로 자화리액턴스 Xm값의 비선형성을 고려하지 않은 것으로 판단된다. 기동 시와 정격운전 시에 전동기의 전류는 큰 차이를 보이며, 동일 전압에서 저항 및 누설리액턴스에서 발생하는 전압강하 Vleak가 매우 다르다는 것을 의미한다. 따라서 이 때 발생하는 전압강하성분을 제외한 나머지가 자속을 성분의 유도전압, 즉 Xm에 걸리는 전압이 된다.

이를 고려하기 위해 기동부터 동기운전 속도에 대해 자속량을 계산하고 이로부터 비선형 B-H 특성곡선을 이용하여 Xm을 속도에 대해 계산하였다. 조속에서 큰 전류가 흐르므로 누설부 전압강하가 크므로 동기속도 부근의 자속량에 비해 작으며 따라서 각 부분의 자속밀도가 감소하며 Xm은 동기속도에서보다 크게 된다. 출력 값의 해석오차를 개선하기 위하여 Xm은 동기속도에서보다 크게 된다. 출력 값의 해석오차를 개선하기 위하여 Xm값을 회전속도에 따라 비선형적인 특성을 반영하여 등가회로 프로그램을 개선하였다. 회전자의 도체 도전율을 입력할 수 있도록 하였으며, 고정자 권선의 전류 밀도 및 슬롯 점적률 계산 기능을 추가하였다.

2) 회전자 표피효과를 이용한 토크특성 개선 가능성 검토

2차년도 연구내용으로 1차 년도에 제시한 전동기 특성 중 설계조건에서 제외된 정동토크 특성의 확보와 추가적 효율개선을 위한 연구를 진행한다. 이를 위해 회전자 저항의 표피 효과를 이용한 기동 및 정동 특성의 개선 가능성을 검토하고, 또한 고정자 슬롯 확장과 회전자 외경변화에 따른 특성을 확인함으로써 목표를 달성하고자 한다.

가) 등가 자기 회로법을 이용한 회전자 도체의 저항산정방법

간단한 형상의 도체에 전류가 흐를 때, 주변 매질의 투자율을 알 수 있다면 전류에 의한 전자기적 현상을 맥스웰 방정식으로부터 해석적으로 정확히 예측할 수 있다.

이 방법을 임의의 형상을 갖는 회전자 도체형상에 대해 적용하기 위해 도체형상을 작은 직사각형 요소로 나누어 각 요소가 갖는 임피던스를 병렬회로로 나타내는 lattice network 기법을 적용한다. 이 때 회전자 철심의 투자율은 무한대로 가정한다.

회로에서 reactance 성분을 나타내는 X는 회전자 도체에 흐르는 전류의 주파수, 즉 유도전동기의 슬림 s에 대해 변하는 함수가 되고 표피효과를 나타내게 된다. 이로부터 도체저항은 정지(slip=1) 시에 가장 크며 속도가 증가하여 동기속도에서 가장 작은 값을 갖으며, 반대로 누설 reactance는 동기속도에서 도체 전체에 동일한 전류밀도가 흐르게 되므로 가장 크게 됨을 알 수 있다.

나) 표피효과 극대화를 위한 도체형상 설계와 영향분석

기존 형상의 경우, 기동 및 정격운전시의 저항과 누설리액턴스의 변화가 매우 미미하게 나타난다. 본 연구에서는 표피효과를 극대화하는 회전자 도체형상을 설계함으로써 기동토크의 개선 가능성을 분석한다.

표피효과를 최대화하기 위해 도체형상설계를 위한 설계변수의 제한범위와 목적함수를 결정해야 한다. 설계변수의 범위는 최초형상으로부터 유추할 수 있으며 다음과 같다. 1)회전자 도체의 좌우폭을 증가시키는 경우, 회전자 치 자속 밀도를 증가시킬 수 있으므로 초기형상을 상한치로 결정한다. 2)슬롯 개구폭의 증가는 유효공극을 증가시키게 되므로 초기 형상을 상한치로 결정한다. 3)슬롯 폭의 최소값은 제작 가능한 수준을 고려하여 0.3mm 이상으로 한다.

1차년도 설계안을 검토하여 비교할 때, 기동성능을 만족하기 위해 요구되는 2차 측 저항이 50ohm 수준이므로, 재설계된 회전자 도체를 사용한다면 엔드링 크기를 확대하여 저항을 저감시킬 수 있다.

다) 표피효과를 이용한 설계안의 문제점

설명한 바와 같이 도체저항은 상당한 수준으로 증가하였으나, 누설리액턴스의 영향에 대한 검토가 동반되어야 한다. 누설의 증가는 유도전동기의 정동토크 성능에 크게 악영향을 미치게 되며, 궁극적으로 최초 표피효과를 이용함으로써 기동 및 정동토크 특성을 향상시키고자 하는 목적에 역행하게 된다. 특히 회전자의 누설리액턴가 슬롯누설과 엔드링 및 스큐누설성분으로 구성된 것을 감안한다면, 슬롯누설 분야의 상승을 보상하기 위해 저감할 수 있는 성분이 거의 없음을 의미하고, 따라서 회전자 슬롯 형상 설계를 통해 성능을 개선하는 것은 매우 힘들다고 결론지을 수 있다.

라) 표피효과 극대화를 위한 이중 농형 회전자 설계

①. 1차 이중농형 회전자 설계 및 제작

회전자 알루미늄 바의 구조를 이중 농형 형태로 하여 skin effect효과를 고려하여 회전자 2차 측 저항의 기동 및 정동토크 개선을 위한 설계를 진행하였다. 4차 설계 안에서 나온 고정자를 사용하여 실험을 한 결과 2.5uF에서 가장 좋은 결과를 얻었으나, 이중농형 설계 안에 대한 개선 효과가 없는 것을 알 수 있다.

3) 고정자 슬롯 및 회전자 직경 변화에 따른 특성분석

전자기적 관점에서 볼 때 전동기의 기동 및 정동 등의 토크특성은 D2L법으로 귀결되며, 즉 회전자 체적에 비례하므로 외경이 클수록 큰 출력을 발생시키는 데 유리하다. 그러나 고정자 외경이 제한된 경우, 고정자와 회전자의 철심 포화자속밀도와 도체의 전류밀도에 의해 회전자 외경이 결정된다. 특히 등가회로 관점에서 전동기의 성능은 누설 및 여자리액턴스와 저항의 조합으로 결정되며, 같은 조건에서 누설과 저항이 작을수록 특성은 향상된다.

누설 리액턴스 성분의 크기는 도체 권수와 슬롯 형태에 의해 결정되므로 큰 변동원인이 없으므로, 성능향상을 위해서는 고정자 등가회로의 저항 성분 저감이 요구된다. 고정자 권선수의 변동 없이 저항의 저감을 위해서는 도체 선경을 증가시켜야하며 이는 슬롯 면적확장을 동반한다. 즉 치 자속밀도를 동일하게 유지시키는 경우, 슬롯 면적 확장은 회전자 내경을 감소시킴을 의미하게 된다. 따라서 고정자 슬롯 면적 및 회전자 외경을 변수로 하여 전동기의 특성을 분석하고자 한다.

가) 전동기 부분별 자속밀도

기존전동기 및 1차년도 설계안에 대해 각 부분별 자속밀도를 계산하면, 치 자속 밀도는 거의 1.5T 및 그 이상으로서, 슬롯 면적을 확장시킬 수 있는 설계여분이 발생하지 않는다. 반면 고정자 요크의 자속밀도는 1.2T 이하로서, 현재 모델의 경우 동손이 철손에 비해 상대적으로 크므로 슬롯 면적을 확장하고 요크자속밀도를 1.3T까지 상승시키는 설계가 가능할 것이다.

또한 회전자의 요크는 0.6T 부근으로 요크 폭 축소에 문제가 전혀 없다. 반면 전술한 바와 같이 회전자 반경이 축소되면 근본적으로 전동기출력을 감소시키는 특성이 나타나므로 이를 고려한 설계가 되어야 한다.

나) 고정자 요크 폭 확대 및 권선경 확대에 따른 특성 검토

①. 고정자 요크폭 확대로 인한 설계

앞장의 두 차례 설계 결과 및 이중농형 회전자설계 안에서 정동 및 기동토크는 목표 값을 만족하지 못한다. 이를 개선하기 위하여 권선 턴수는 유지하면서 권선 선경을 증가한 설계를 진행하였다. 선경 증가에 따른 권선면적 만족을 위하여 고정자 요크 길이를 70mm에서 72mm로 조정하여 설계하였다. 증가된 슬롯면적으로 권선면적을 최대 권선면적 20mm2에서 24mm2까지 제작 가능하다. 요한 요소 해석 결과 고정자 요크 부분의 자속밀도는 1.2[T]로 요크 감소에 따른 영향은 없을 것으로 판단된다.

②. 권선 선경 변화 대한 설계

고정자 슬롯 면적 증가 설계에서 권선 턴수를 유지하면서 선경을 증가한 설계를 진행하였다. 제작, 실험결과 기동 및 정동토크가 향상되었지만 목표값에 만족하지 못한다. 목표값 만족을 위하여 최대 제작 가능한 조건 내에서 주권선, 보조권선의 선경 및 턴수를 등가회로 해석 프로그램을 이용하여 해석하였으며, 다음에 설계변수에 따른 효율, 기동토크, 정동토크의 변화를 나타내었다.

4) 고정자 내경 축소에 따른 특성 검토(90W급)

고정자 내경축소의 목적은 고정자 슬롯면적의 확장을 통해 좀 더 큰 선경의 도체를 사용하고자 함이 목적이다. 특히 1차년도 설계 방법론으로 판단하면, 기 결정된 코일의 권수는 고정 값이라고 볼 수 있으므로 실제 상업적으로 사용가능한 선경으로 결정해야 한다.

1차년도 설계모델에서 권선경이 0.4mm이며, 슬롯 면적이 커지는 경우 0.4mm 이상의 선경을 고려해야 한다. 에나멜 권선의 KS규격을 참조하면, 0.4mm 이상의 최소선경이 0.45mm이다. 즉 슬롯면적의 확장이 사용가능한 권선 사양에 의해 결정됨을 의미한다. 이를 고려하면 회전자의 반경은 1mm 단위로 축소하는 것이 가능하다. 따라서 회전자 반경을 각각 23.7mm, 22.7mm, 21.7mm에 대하여 권선경 0.4mm, 0.45mm, 0.5mm의 권선을 적용할 때 전동기 특성을 비교하였다.

기동토크와 정동토크는 반경이 감소하면서 증가하는 특성이 나타난다. 이는 회전자 반경감소에 기인하는 것이 아니라 슬롯 점적률에 적합하게 적용된 도체 권수의 감소에 기인한다고 볼 수 있다. 반면 효율특성은 22.7mm에서 가장 좋은 특성을 나타낸다. 따라서 토크특성과 효율특성을 고려할 때 반경 22.7이 가장 유리한 설계안이라 결정할 수 있다.

또한, 정격 시 온도포화 시험결과 S30은 온도상승이 26.7℃, S18은 24.1℃로 목표인 35℃ 이하로 만족하며, 소음 측정 결과 47.8[dB]로 목표인 50[dB] 이하를 만족한다.

5) 750W 모델 2차년도 설계

가) 750W 2차년도 설계(상용 프로그램과 비교 해석)

오양공조기의 750[W] 기존모델은 본 과제를 수행하면서 제작과 설계한 프로그램인 SPIM으로 설계하였을 때의 해석결과는 효율이 79.5%, 기동토크는 1.942Nm, 정동토크는 11.625Nm을 나타내며, 이를 검증하기 위한 사용프로그램인 Ansoft사의 Maxwell rm프로그램과 결과를 비교하였다. 전체적으로 효율, 기동토크, 정동토크 값에서 차이점을 보이고 있다. 이 문제점은 자회리액턴스의 산출방법과 회전자 바의 슬롯 오프닝 부분관련 계산을 수정함으로써 개선하였다.

나) 정동토크 개선 설계

일반적으로 유동전동기의 회전자에는 농형과 권선형의 두 가지가 있다. 농형회전자는 권선형 회전자에 비해 구조가 간단하고, 값이 싸고, 취급하기가 쉽다. 본 750[W]모델에 사용된 회전자는 농형 회전자이다. 설계과정을 진행하면서, 단상유도전동기의 주요 설계변수인 권수비 a, 2차 측 회전자 저항 R2, 운전커패시터 Cr의 변경으로 효율과 기동토크는 개선할 수 있었으나 정동토크의 저하문제는 해결하지 못하였다.

정동토크를 개선하기 위하여 회전자 바의 슬롯 오프닝 부분 수정을 하였다. 회전자의 슬롯의 형태는 다음과 같이 Open slot과 Closed slot으로 나눌 수 있다.

Open slot을 사용하면, 권선형 회전자의 경우 권선의 절연과 권선변을 삽입하는 작업은 쉽다. 그러나 전동기의 크기가 다소 커지고, 또한 철손과 여자전류가 커지므로 그만큼 효율과 역률이 떨어지게 된다.

Closed slot은 공극의 자기저항을 고정자의 내부 주변에 따라 균일하게 하고, 표면손 및 맥동손을 감소시키는 목적으로 사용된다. 이 경우 슬롯의 상단과 철심의 외면과의 거리가 너무 크게 되면, 회전자의 누설리액턴스가 증가하게 된다. 그러므로 그 거리는 일반적으로 0.3~0.5mm가 적당하다.

750[W] 기존모델의 경우 슬롯상단과 철심의 외면과의 거리가 0.6mm이다. 이것은 회전자에서의 누설리액턴스가 많으며, 이 누설을 정동토크를 저하시키는 요인으로 판단할 수 있다. 개선모델은 슬롯상단과 철심의 외면과의 거리를 0.3mm로 줄였으며 정동토크의 개선을 확인할 수 있다.

3. 기술개발 결과

가. 연구 개발 결과

본 연구에서는 단상유도정동기의 해석을 위해, 순 단상유도전동기의 운전원리로부터 보조권선을 적용한 일반 유도전동기의 등가회로해석 방법을 고찰하였으며, 허용범위 내의 오차를 수반하는 해석 프로그램을 제작하였다. 해석프로그램은 윈도우환경을 제작하여 설계 및 해석 시에 사용자의 편의를 도모하였다.

고효율 단상유도전동기의 설계를 위해, 이상적인 조건인 자기적 평형상태를 단상운전에서 구현하기 위한 조건을 유도하였고 특성을 분석하였다. 이로부터 평형운전에서 발생하는 현실적 문제점을 고찰하였고 이를 해결하며 고효율 전동기의 설계기준이 될 수 있는, 준 평형설계를 적용한 전동기는 비교적 큰 폭의 효율이 개선이 기대되지만 추가적으로 기동특성의 악화를 동반하게 된다. 따라서 기동토크를 고려한 최적설계가 요구되었고 제안된 준 평형설계 방법을 기반으로 운전콘덴서 Cr과 회전자저항 R2를 변수로 하여 기동과 고효율 조건을 만족하는 최적 설계기법을 제안하였다.

1차년도 개발 결과에서 추가적인 효울 향상 및 기동, 정동토크 특성을 만족하기 위하여 이중농형 구조 설계, 고정자 슬롯 및 회전자 형상, 직경 변화를 통하여 최적 설계를 하였으며, 시작품 제작 및 특성을 측정하였다. 측정결과로부터 설계결과가 예상에 잘 부합하는 것을 확인함으로써 설계방법의 타당성을 검증하였다. 또한, 회전자 알루미늄 도체바의 제조공정 시 다이캐스팅 온도 변화에 따른 특성 분석을 위하여 3가지 온도에 대한 제작 및 특성 검토를 하였다. 이 연구를 통하여 다이캐스팅 제작온도에 대한 최적 조건을 얻을 수 있었다. 이상과 같이 고효율 설계를 위해 회로정수를 이용한 해석적 방법을 기반으로 최대 효율 점의 확인으로부터 기동을 고려한 최적 점을 찾는 단계적 방법을 정립함으로써 이론적 오류를 최소화하고 설계과정을 단순화하였다.

향후계획으로 본 연구의 설계 방법 및 해석 프로그램을 이용하여 기존에 양산되고 있는 단상 유도 전동기의 최적 설계 및 효율 향상에 관한 연구를 지속하여 회사 매출 향상에 기여하도록 하겠다.

<표1> 1차년도 연구개발 결과

<표2> 2차년도 연구개발 결과

제4장 연구개발결과의 활용계획

현재 본 과제의 주관 기업인 (주)모터넷 인터내셔날은 단상유도전동기 및 감속기, BLDC 모터, 스텝 모터를 개발하여 양상하고 있으며, (주)오양공조기는 에어컨용 단상유도기, 산업용 팬 및 공장자동화용 모터를 양산하고 있다. 양산 규모는 단상유도전동기 분야에서만 연간 60,000대로 총 40억의 매출 실적을 갖고 있어 고효율 단상유도전동기 개발 즉시 양산 가능하며 개발완료 첫해에는 매출을 약 160억, 2년차에는 300억 이상의 매출을 기대하고 있다. 현재 개발 목표 모델은 개발 종료와 맞추어 양산화 계획이 과제 수행 3년차에 제시되어 있으며 매출 증가를 대비한 양산 설비 및 라인의 투자를 개발 종료와 맞추어 준비할 것이다.

또한 개발 모델뿐만 아니라 본 과제의 기술을 소형 단상유도전동기 전 모델에 적용하여 소형 고효율 단상유도전동기 시리즈화를 세계 최초로 시도할 예정이다.