단 1차형 영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력 저감 연구

연승환,이종진,함승진,고창섭 충북대학교 컴퓨터정보통신 연구소 2006 컴퓨터정보통신연구 Vol.14 No.1

최근 영구자석 선형 동기 전동기 (PMSLM)는 이송 장치로써 많은 분야에 사용되고 있다. 영구자석 선형 동기 전동기는 구조적으로 간단하며 고속화 고추력화 등의 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 단 1차형 영구자석 선형 동기 전동기는 매우 큰 디텐트력을 지니고 있어 추력 맥동의 원인이 되며, 이는 소음과 진동을 발생시킨다. 단 1차형 영구자석 선형 동기 전동기의 디텐트력은 전기자 내부의 치와 영구자석 사이에 작용하는 힘과 전기자 양 단부와 영구자석 사이에서 작용하는 힘의 합으로 표현된다. 본 논문에서는 코깅력을 줄이기 위한 방법으로 영구자석의 극 수와 전기자의 슬롯 수의 비를 변경한 새로운 구조의 단 1차형 영구자석 선형 동기 전동기(PMLSM)을 제안하였고, 단부력을 줄이기 위하여 전기자 양 단부에 전기자 길이 조정법과 챔퍼링 법을 사용하였다. Recently Permanent Magnet Linear Synchronous Motors(PMLSMs) are widely being used for many linear transportation applications. The PMLSMs have many advantages such as simple structure, high speed and thrust force. However, especially in short primary type PMLSM, the PMLSMs have very large detent force, which makes the thrust force ripple and undesired vibration and noise. The detent force in PMLSMs is composed of two forces. The first is the cogging force which comes from the interaction between the permanent magnets and interior teeth of the stator, and the second is the end effect force which acts on the exterior teeth of the stator by the permanent magnets. This paper presents a new configuration of a short primary type PMLSM for cogging force reduction by changing the ratio of the numbers of winding slots and permanent magnet poles. The end effect force is also minimized by optimizing the stator length and chamfering the shape of the exterior teeth of the stator.

도시철도 추진용 180kW 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 설계 및 분석

현대일,정호진,백제훈 한국철도학회 2021 한국철도학회논문집 Vol.24 No.5

현재 대부분의 도시철도 추진시스템에 사용되고 있는 3상 유도전동기는 매입형 영구자석 동기전동기에 비하여 낮은 출력밀도의 특성이 있으며, 전동기 또는 인버터 스위치의 한 상에서 고장이 발생할 경우 추진시스템의 동작이 불가능한 단점이 있으므로 이를 개선하는 방안이 요구되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 현재의 도시철도용 3상 유도전 동기 기반의 추진시스템이 가지고 있는 단점들을 개선할 수 있는 180kW급 6상 영구자석 보조형 동기전동기 모델을 제안하였다. 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 설계를 위하여 자기회로 모델과 유전알고리즘을 이용한 최적설계 과정을 제시하였으며, 유한요소분석을 이용하여 무부하 및 부하운전 성능 그리고 정상 및 고장 조건에서의 성능을 비교하였다. 또한, 기존에 설계된 도시철도용 3상 영구자석 보조형 동기전동기와 6상 영구자석 보조형 동기전동기의 유한요소해석 결과를 비교하여 6상 동기전동기의 장점을 분석하였다.

엔코더리스 마그넷 모션을 이용한 위치제어에 대한 리니어모터 실험적 연구

김홍윤(Kim Hong-youn),윤영민(Yun Young-Min),심호근(Shim Ho-Keun),권영목(Kwon Young-Mok),허훈(Heo Hoon) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.1

영구자석 선형 동기전동기(PMLSM : Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)의 구조에서, 영구자석이 레일에 고정되고 코일이 움직이는 기존 영구자석 선형 동기전동기와 달리(영구자석 = 고정자, 코일 = 이동자), 코일이 고정되고, 영구자석을 움직이는(영구자석 = 이동자, 코일 = 고정자) 구조의 위치제어시스템을 제안하고자 한다. 위치 측정은 2개의 홀센서를 사용한다. 이 방식은 엔코더 출력 펄스 신호 대신에 2개의 홀센서에서 발생되는 구형파 신호를 4체배하여 이동자의 속도와 위치를 추정한다. 구형파를 발생시키는 2개의 홀센서로 PMLSM의 벡터제어를 구현하였을 때 정격속도 범위 내에서 안정적이고 효율적으로 제어되는 것을 시뮬레이션을 통하여 입증하였다. 또 하드웨어 실험으로 시스템의 위치제어성능은 30~50㎛의 측정범위 내에서 10~20㎛의 정밀도로 기존시스템보다 2배나 개선되며, 경제적 효율성과 제안된 위치제어 개념의 실용적인 유용성도 확인하였다. 2개의 홀센서를 이용한 벡터제어는 협소한 공간에도 취부 할 수 있으므로 엔코더나 레졸버의 장착이 어려운 시스템에 적용될 수 있다. A position control system composed of the PMLSM(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor), unlike conventional linear permanent magnet synchronous motor is fixed to the permanent magnet moving coil rails (permanent magnet = stator, coil = mover), the coil is fixed, moving the permanent magnet, we propose a position control system (permanent magnet = mover, coil = stator) structure. Position is measured not using conventional encoder or resolver but by adopting vector control method using 2 hall sensors generating rectangular signal. This method estimate the velocity and position of mover by using the quadruple of two hall sensor signal instead of encoder signal. Vector control of PMLSM using 2 hall sensor generating rectangular wave is proved to control the system stable and efficiently through simulation. Also hardware experiment reveals that the position control performance is measured within the range of 30~50㎛ in the accuracy of 10~20㎛, which is improved twice to the conventional method. The proposed method exhibits its economical efficiency and practical usefulness. The vector control technique using two hall sensors can be installed in narrow place, accordingly it can be implemented on the system where the conventional encoder or resolver cannot operate.

자동화된 실험계획법과 다층 퍼셉트론 기법을 이용한 영구자석형 동기전동기의 형상 최적설계

유용민 국제차세대융합기술학회 2020 차세대융합기술학회논문지 Vol.4 No.5

전기자동차용 구동모터로서 영구자석형 동기전동기가 주로 사용되고 있으며, 전기자동차에서 요구하는 다 양한 특성을 동시에 만족해야 되기 때문에 최적화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 기존의 영구자 석형 동기전동기의 최적설계 방법은 실험횟수만큼의 기계적인 모델링, 유한요소해석이 필요하므로 매우 복잡하고 시간이 많이 소요된다. 본 논문에서는 자동화된 실험계획법과 유한요소해석을 바탕으로 영구자석형 동기전동기의 최적설계 방법을 연구하였다. 전동기의 형상최적화는 두 개의 메타모델링 기법과 두 개의 최적설계 알고리즘을 각 각 조합하여 수행된다. 첫째, 전동기의 평균토크는 목적함수로 설정되었고, 둘째, 역기전력의 고조파 왜곡, 효율, 토크리플은 제약조건으로 설정되었다. 자동화된 실험계획법에 의해 전동기의 유한요소해석은 쉽게 수행되며, 이 결과를 바탕으로 민감도 분석과 메타모델링이 진행되었다. 메타모델링은 기존에 주로 사용되는 Kriging 모델과 MLP(Multi-Layer Perceptron) 기법을 각각 이용하였고, 생성된 메타모델들은 전동기의 형상최적화를 위해 각각 유전알고리즘과 HMA(Hybrid Metaheuristic Algorithm) 알고리즘과 결합되었다. 본 연구에서는 최적화가 용이한 자동화된 설계 절차를 통해 다양한 메타모델링 기법과 최적 알고리즘을 검토할 수 있었으며, 결론적으로 MLP 기 법을 이용한 최적설계 결과는 Kriging 모델에 비해 더 우수한 평균토크 결과를 보여주었다. As the traction motor for an electric vehicle requires various characteristics at the same time, research on the optimal design of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been actively conducted. Because conventional optimal design of PMSM requires mechanical modeling and finite element analysis (FEA), the optimization procedure is complicated and time-consuming. To optimize PMSM easily and accurately, this study proposes an optimal design process based on automated design of experiments (DOE) and FEA. The shape optimization of PMSM is performed by applying two metamodeling techniques and two optimal algorithms, respectively. First, the average torque is set as the objective function, and second, THD of the back EMF, efficiency, and torque ripple are set as constraints. FEA-based analysis could be easily performed using automated DOE. Based on this, sensitivity analysis and metamodeling are performed. Metamodeling is accomplished using the previous Kriging and multi-layer perceptron (MLP) techniques, respectively. The generated metamodels are combined with GA and HMA(Hybrid Metaheuristic Algorithm) to perform PMSM shape optimization. In this study, various metamodeling techniques and optimal algorithms could be reviewed using an automated design procedure that is easy to optimize. In conclusion, the optimal design results using the MLP technique showed better average torque results than the Kriging model.

영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어

권영안,이동희 釜山大學校生産技術硏究所 1998 生産技術硏究所論文集 Vol.55 No.-

영구자석 동기전동기는 높은 전력밀도와 제어의 용이성으로 인하여 산업용기기와 가전기기에 광범위하게 응용되고 있다. 최근에는 경제성 및 신뢰성 향상을 위하여 위치 및 속도 센서를 사용하지 않는 센서리스 제어에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 대부분의 센서리스 알고리즘은 상저압 및 전류를 이용하여 관련 방정식으로부터 위치 및 속도를 추정하는 방식이다. 그러나 불규칙 노이즈를 포함하는 측정오차는 영구자석 동기전동기의 속도추정의 정도를 감소시킨다. 본 논문에서는 불규칙 노이즈를 포함하는 측정호차를 저감하는 센서리스 속도제어에 관하여 연구한다. 제안된 알고리즘은 노이즈에 대한 추정속도의 영향을 각 파라미터에 대하여 분석하고 추정속도의 맥동이 감소하도록 설정하는 방식으로서 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다. Sensorless PMSM is much studied for the industrial applications and home appliances because a mechanical sensor reduces reliability and increases cost. Most of sensorless algorithms are based on motor equations where it is necessary to obtain the phase voltage and current. However, measurement error and environmental noise deteriorate the accuracy of speed estimation of PMSM. This paper investigates the sensorless speed control of PMSM for nosie rejection in harsh environment. The proposed algorithm is based on the interaction between electrical parameters and random noise. The proposed algorithm is verified through simulation and experiment.

매입형 영구자석형 동기전동기의 메타모델 기반 최적 설계

김세은,김대한,이기행,양윤진,유용민 국제차세대융합기술학회 2023 차세대융합기술학회논문지 Vol.7 No.10

전기를 동력으로 사용하는 구동 시스템은 탑재된 배터리를 활용하기 때문에 구동용 전동기의 성능을 향 상시키는 것이 중요하다. 고출력 및 고효율의 특성을 필요로 하는 분야에서는 주로 영구자석형 동기전동기가 사용 되고 있으며, 최근에는 평각동선을 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 논문에서는 구동용 전동기의 성능 향상을 목표로 평각동선이 적용된 영구자석형 동기전동기에 대한 연구를 수행하였다. 목적 함수는 역기전력 의 고조파 왜형률을 최소화하는 것이며, 제약 조건은 평균 토크, 토크 리플, 선간 전압으로 설정하였다. 민감도 분 석을 통해 유의한 설계 변수를 선정하고, OLHD (Optimal Latin Hypercube Design) 샘플링 기법을 활용하여 실 험계획을 수행하였다. 11개의 메타모델링 기법과 RMSE Test (Root Mean Square Error Test)를 통해 정확도가 가장 높은 메타모델을 STDQAO (Sequential Two-point Diagonal Quadratic Approximate Optimization) 알고 리즘 및 HMA (Hybrid Metaheuristic Algorithm) 알고리즘과 결합하여 최적점을 도출하였으며, 각 최적점에 대 한 유한요소해석을 통해 메타모델 기반 최적 설계의 타당성을 검증하였다. 결과적으로 본 연구에서는 영구자석형 동기전동기의 메타모델 기반 형상 최적 설계를 통해 제약 조건을 만족하면서 목적 함수인 역기전력의 고조파 왜 형률의 최소화가 가능함을 알 수 있었으며, 제안하는 메타모델 기반 최적 설계기법이 친환경차 구동모터의 성능 향상에 유용함을 확인하였다. A drive system powered by electricity relies on its on-board batteries. Therefore, it is important to improve the performance of the traction motor. Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) have been predominantly used in fields that require high power density and high efficiency characteristics. Recently, research using the hairpin winding with rectangular wire has been actively conducted. Therefore, a study on the PMSM with rectangular wire for improving the performance of the traction motor is conducted. The objective function is to minimize the total harmonic distortion (THD) of the Back-EMF. The average torque, torque ripple, and line-to-line voltage are set as constraints. Sensitivity analysis is conducted to select significant parameters. The design of experiments is performed using the optimal latin hypercube design (OLHD) technique. Using 11 metamodeling techniques and root mean square error test (RMSE Test), the metamodel with the highest accuracy is combined with the sequential two-point diagonal quadratic approximate optimization (STDQAO) algorithm and hybrid metaheuristic algorithm (HMA) to derive the optimal point. Finally, the validity of the optimal design based on the metamodel is verified through the finite element analysis (FEA) for each optimal point.

철도운전제어 개발동향 분석

이현우(Hyun-Woo Lee),양진송(Jin-Song Yang),이재훈(Jae-Hoon Lee),박준형(Jun-Hyong Park),김선엽(Seon-Yeop Kim),최선우(Seon-Woo Choi),이준형(Jun-Hyung Lee),한재현(Jae-Hyeon Han),박찬만(Chan-Marn Park),박정수(Jung-Soo Park) 한국철도학회 2018 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.10

증기의 힘을 동력으로 사용한 이래 영구자석형 동기전동기의 상용화 노력에 이르기까지 철도운전제어기술은 내연기관 및 전기기기와 전력전자 기술의 발달을 힘입어 그 발걸음을 계속 하고 있다. 특히 초창기 철도차량에 적용된 견인전동기는 직류직권전동기를 장착한 철도차량을 운행했지만, 전력전자 기술과 고속 대용량 스위칭 소자의 발달로 개발된 3상농형유도전동기를 장착한 철도차량을 주로 운행하고 있으며 새로운 방식의 철도차량 동력장치 개발 및 기존에 사용 중인 동력장치의 고효율, 경량화, 소형화에 계속해서 힘쓰고 있다. 본 논문에서는 한국철도 역사에 따른 철도차량용 동력장치의 발전과정과 제어방식의 개발동향을 중점적으로 전개·분석하며 향후 발전 가능성과 방향을 함 께 제시하고자 한다.

전기추진선박용 영구자석 동기전동기의 회전자 형상에 따른 특성 분석

이주형,신경훈,성소영,박정형,김창우,최장영 한국자기학회 2023 韓國磁氣學會誌 Vol.33 No.5

본 논문은 전기추진선박용 M W급 영구자석 동기전동기의 회전자 형상에 따른 전자기, 운전 특성 및 기계적 특성 해석 결과를제시 및 비교한다. 전자기 및 기계적 특성 해석은 동일한 제한 조건 및 요구 조건에서 표면부착형, Bar 타입 매입형, V 타입 매입형 회전자 형상에 따라 수행되었다. 본 논문에서 제시된 결과로부터 전기추진선박에 적합한 영구자석 동기전동기의 회전자 형상을 제안한다.

[논문]영구자석 동기전동기의 새로운 센서리스 속도제어

김영삼,권영안 釜山大學校生産技術硏究所 2003 生産技術硏究所論文集 Vol.62 No.-

영구자석 동기전동기는 정확한 속도 및 토크 제어를 위해서 회전자의 속도뿐만 아니라, 회전자의 위치정보가 반드시 요구된다. 그러나 회전자의 위치 및 속도 센서들은 경제적인 문제점과 신뢰성 감소의 문제점을 가진다. 최근에는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 속도 및 위치 센서를 사용하지 않는 센서리스 제어에 관한 연구가 많이 이루어지고 었다. 본 논문에서는 영구자석 동기전동기의 새로운 센서리스 제어방식으로서 MRAS(Model Reference Adaptive System) 방식을 제안한다. 본 방식은 MRAS의 기준모텔에서 측정전류를 피이드백하는 상태 관측기로부터 역기전력을 추정하고 비교모텔에서 영구자석 자속에 의한 수식을 이용하여 역기전력을 추정하며, 두 추정기 모텔에서 추정된 역기전력을 상호 비교하고 그 오차를 적웅 메카니즘에 적용하여 회전자 속도를 추정 하는 방식이다. 본 논문에서 제안한 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 시율레이션 및 실험을 수행하였다.

마주보는 상의 역기전력 파형을 이용한 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 전동기의 층간단락 고장진단

백경동(Gyeongdong Baek),배채봉(Chaebong Bae),김장목(Jangmok Kim),김성신(Sungshin Kim) 한국지능시스템학회 2009 한국지능시스템학회 학술발표 논문집 Vol.19 No.2

본 논문은 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 전동기(SPIMSM, surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor)의 층간단락 고장을 검출하는 방법으로 마주보는 상의 역기전력 파형의 위상차를 이용한다. 본 연구대상 전동기는 회전자가 영구자석으로 이루어지고 고정자가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되었으며 각 상의 중성점이 연결되지 않은 독립된 짝수 상의 권선 구조를 가진다. 짝수-다상을 가지는 전동기는 정상상태일 때 마주보는 상의 역기전력 파형이 위상차 180˚가 되어 두 상의 출력을 합하면 그 값이 0에 수렴한다. 제안한 층간단락 진단 알고리즘은 측정?제어 노이즈를 고려하여 마주보는 상의 전류를 입력으로 출력이 0 이 되도록 다중 회귀모델을 학습시켜 진단 모델로 사용하였다. 본 논문에서 제안한 진단 방법의 결과, 고장이 발생한 층간단락 위치를 검출할 수 있었다. 층간단락의 정확한 고장 위치정보는 고장의 검출 뿐만 아니라 고장 상태로 운전하는 기법에 중요한 정보로 사용할 수 있을 것이다.