이중회전자 영구자석동기전동기의 안정성 기반 고효율 운전을 위한 전류 운전점 분석 = Analysis of current operating points for stability based high efficiency operation of dual rotor PM synchronous motor

국문 초록 (Abstract)

이중회전자 영구자석동기전동기(DR-PMSM)는 마그네틱 기어와 전동기가 일체화된 구조로, 기계식 감속기를 사용하지 않으면서도 저속 고토크 구동이 가능하다는 장점을 갖는다. 그러나 DR-PMSM은 내측 회전자와 외측 회전자 사이의 부하각(load angle)에 의해 토크가 전달되며, 부하 증 가로 인해 부하각이 임계값을 초과할 경우 두 회전자 간의 동기가 붕괴되 어 탈조가 발생하는 문제가 있다. 따라서 DR-PMSM의 안정적인 운전을 위해서는 부하각을 안정 동작 영역 내로 유지하기 위한 탈조 방지 제어가 필수적이다. 기존 탈조 방지 알고리즘은 전류제어기와 직렬로 구성되어 있어 두 제어기 사이의 간섭으로 인한 공진이 발생할 수 있으며, 급격한 부하 변동 시 오히려 탈조를 유발하는 한계를 가진다. 본 논문에서는 이 러한 문제를 해결하기 위해 전류제어기와 독립적으로 동작하는 탈조 방지 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘은 실제 부하각이 설정된 임계값을 초과하는 경우에만 탈조 방지 토크를 출력하도록 구성함으로써, 정상 운 전 영역에서는 전류제어에 영향을 주지 않으면서 안정성을 확보한다. 또한 DR-PMSM의 출력 토크는 변조 자속, 부하각, 마그네틱 기어비 및 축 전류에 의해 결정되므로, 고효율 운전을 위해서는 이러한 요소를 고 려한 전류 운전점 분석이 필요하다. 이에 본 논문에서는 DR-PMSM의 토크 방정식을 기반으로 전류 위상각 변화에 따른 각 토크 성분을 분석하고, 동일 토크 조건에서 최소 전류가 요구되는 MTPA(Maximum Torque per Ampere) 운전점을 도출하였다. 제안한 탈조 방지 알고리즘과 MTPA 전류 운전점 분석은 Matlab/Simulink 를 통한 모의해석과 1kW급 축소형 DR-PMSM 실험을 통해 검증하였다. 실 험 결과, 부하 변동 조건에서도 부하각이 안정적으로 유지되며 탈조가 발생하 지 않음을 확인하였고, DR-PMSM의 고효율 운전점은 기존 영구자석 동기전 동기(PMSM)과 달리 1사분면에 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 배경 1
• 2. 논문의 구성 4
• Ⅱ. 이중회전자 영구자석동기전동기 5
• 1. DR-PMSM의 구조 및 회전원리 5
• 2. 자속 변조 효과 7
• 3. 마그네틱 스프링 10
• 4. DR-PMSM 모델링 13
• 4.1. DR-PMSM 전압 방정식 14
• 4.2. DR-PMSM 토크 방정식 16
• Ⅲ. 탈조 방지 및 고효율 운전 17
• 1. DR-PMSM 탈조방지 알고리즘 18
• 2. DR-PMSM 고효율 운전점 22
• Ⅳ. 모의해석 25
• 1. 전동기 및 인버터 파라미터 25
• 2. 탈조 방지 알고리즘 27
• 3. DR-PMSM 고효율 운전점 31
• Ⅴ. 실험 결과 33
• 1. 실험 환경 33
• 2. 탈조 방지 알고리즘 34
• 3. 고효율 운전 전류 운전점 분석 35
• 3.1. 1kW DR-PMSM 전류 운전점 분석 36
• Ⅵ. 결론 39