자속 포화를 고려한 계자권선형 동기 전동기의 동손 최소 전류 = Minimum Copper-Loss Current for Wound-Field Synchronous Machines Considering Flux Saturation

국문 초록 (Abstract)

계자권선형 동기 전동기는 회전자에 감긴 계자권선에 전류를 인가하여 자속을 형성하는 구조로, 쇄교자속, 토크와 동손이 고정자 전류뿐만 아니라 회전자 전류에 의해 함께 결정된다. 이 전동기는 높은 전력밀도와 넓은 속도 범위를 확보할 수 있어 차량 구동용으로 사용되고 있다. 이러한 응용에서는 고출력 특성을 확보하기 위해 큰 전류가 인가되며, 그 결과 자속 포화가 발생한다. 자속 포화가 나타나면 쇄교자속은 고정자 전류와 회전자 전류에 대해 비선형적인 특성을 나타내게 된다.
본 논문은 계자권선형 동기 전동기에 대해 고정자 전류와 회전자 전류를 모두 고려하고, 자속 포화에 따른 쇄교자속의 비선형성을 반영하여 동손 최소 전류 지점을 구하는 기법을 제안한다. 제안된 기법은 쇄교자속와 쇄교자속의 편미분 값을 이용하여, 고정자 전류와 회전자 전류를 변수로 하는 라그랑주 승수법을 통해 동손 최소 전류 지점을 구한다. 유한요소해석 기반 쇄교자속 결과를 사용하여 제안 기법이 동손 최소 전류 지점임을 입증하였으며, 160kW 계자권선형 동기 전동기를 이용한 실험을 통해 제안 기법의 우수한 성능을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A wound-field synchronous machine (WFSM) generates the air-gap flux by supplying current to the field winding placed on the rotor, and its flux linkage, torque, and copper losses are determined by both the stator and rotor currents. Owing to its high-power density and wide speed operating range, the WFSM is widely used in vehicle traction applications. In such applications, large currents are typically applied to achieve high output power, which results in flux saturation. Once saturation occurs, the flux linkage exhibits nonlinear characteristics with respect to both the stator and rotor currents.

This dissertation proposes a method for determining the minimum copper-loss current operating point of a WFSM by simultaneously considering the stator and rotor currents and explicitly accounting for the nonlinear flux-linkage characteristics under magnetic saturation. The proposed approach utilizes the flux linkage and its partial derivatives, obtained from finite-element-analysis data, within a Lagrange multiplier Method to compute the optimal current combination that minimizes copper loss. The validity of the proposed method is verified through finite-element-analysis-based flux-linkage results, and its superior performance is experimentally demonstrated using a 160-kW WFSM.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 4
• 1.3 논문의 구성 5
• 제 2 장 계자권선형 동기 전동기의 모델링 6
• 2.1 선형 쇄교자속을 가정한 계자권선형 동기전동기 수식[24] 8
• 2.1.1 쇄교자속 방정식 8
• 2.1.2 전압 방정식 13
• 2.1.3 동손 및 토크 방정식 14
• 2.2 쇄교자속의 비선형성을 반영한 계자권선형 동기 전동기 수식 16
• 2.2.1 쇄교자속 방정식 16
• 2.2.2 전압 방정식 19
• 2.2.3 동손 및 토크 방정식 20
• 제 3 장 계자권선형 동기 전동기의 최소 동손 전류 지령에 관한 기존 연구 21
• 3.1 전류 변수에 대한 다차원 탐색 23
• 3.1.1 최소전류영역 23
• 3.1.2 최대전압영역 24
• 3.1.3 장점 및 한계 25
• 3.2 동손함수와 토크함수의 외적 기반 방법 26
• 3.2.1 최소전류영역 26
• 3.2.2 최대전압영역 31
• 3.2.3 장점 및 한계 31
• 3.3 선형 쇄교자속 모델 기반 라그랑주 승수법[17]–[19] 31
• 3.3.1 최소전류영역 33
• 3.3.2 최대전압영역 34
• 3.3.3 장점 및 한계 35
• 3.4 정적 인덕턴스 기반 라그랑주 승수법[20]–[21] 36
• 3.4.1 최소전류영역 39
• 3.4.2 최대전압영역 41
• 3.4.3 장점 및 한계 43
• 3.5 기존 연구 요약 47
• 제 4 장 제안하는 동손 최소 전류 추출법 48
• 4.1 제안 기법 사용 파라미터 48
• 4.1.1 쇄교자속 편미분 48
• 4.2 제안 기법 알고리즘 53
• 4.2.1 최소 전류 영역 53
• 4.2.2 최대전압영역 57
• 제 5 장 모의 실험 및 실험 결과 60
• 5.1 모의 실험 60
• 5.1.1 최소전류영역 61
• 5.1.2 최대전압영역 66
• 5.2 실험 72
• 5.2.1 실험세트 72
• 5.2.2 최소전류영역 80
• 제 6 장 결론 및 향후 과제 83
• 6.1 결론 83
• 6.2 향후 과제 84
• 부 록 85
• 참고 문헌 86
• ABSTRACT 89