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유도전동기를 비롯하여 고정자 슬롯과 회전자 슬롯의 정렬로 인한 토크 리플를 감소하기 위해 스큐(Skew)를 적용하는 것이 가장 효과적으로 코깅 토크, 토크 리플, 전자파 노이즈를 감소하는 것을 많은 연구에서 보여주었다[1]-[9]. 회전자를 이등분하여 각 부분에 대하여 스큐 각도를 반대로 제공하거나[1], 스큐 각도에 따른 토크 리플의 감소를 연구하거나[2], 스큐 적용에 따른 회전자의 비대칭이 미치는 영향[3] 등이 있다. 하지만 이러한 연구는 모두 고정자 또는 회전자 중 하나에 스큐를 주는 방법에 근간을 두고 있다.

이와는 달리, 본 연구는 고정자와 회전자에 모두 스큐를 제공하여 토크 리플 감소 측면에서 개선이 이루어지는지를 검토하였다. 이를 위해서, 본 실험실에서 보유하고 있는 유도전동기의 스펙과 유사한 모델을 앤시스(Ansys)사의 맥스웰(Maxwell) 전동기 해석 툴에 구현하였다.

구현된 모델은 i) 고정자와 회전자에 모두 스큐가 없는 조합, ii) 기존 방법으로 회전자에만 스큐를 제공한 조합, iii) 본 연구에서 제안하는 고정자와 회전자 모두에 스큐를 제공하고 스큐의 방향을 동일 방향과 반대방향으로 제공하는 4가지 조합에 대하여 시뮬레이션을 수행하여 결과를 비교하였다.

전동기 해석 프로그램의 발전은 물론 컴퓨터 성능의 비약적인 발전으로, 선정된 4가지 조합을 가지는 모델을 앤시스사의 맥스웰 전동기 해석 툴에서 3D 모델링 해석을 수행하여, 정상상태에 도달하였을 때에 조합별로 평균 토크와 그에 상응하는 토크 리플을 획득하고 분석하였다[8][9]. 시뮬레이션 결과는 본 연구에서 제안한 고정자와 회전자에 반대 방향을 가지도록 스큐를 제공하는 것이, 기존 방법보다 토크 리플이 18.4%에서 11.4%로 개선됨을 확인하였으며, 전자계 소음의 최소화가 우선시되는 응용 분야에서 유용할 것으로 기대된다.

본 논문은 다음과 같다. 2장은 앤시스사의 맥스웰 전동기 해석 툴에서 선정한 테스트 전동기의 모델을 구축하고 그의 해석 결과가 테스트 전동기와 유사함을 확인하여 전동기 모델의 신뢰도를 확보하였다. 3장에서는 본 연구에서 제안하고자 하는 방법인 고정자와 회전자에 각각 반대 방향으로 스큐를 제공하는 방법을 앤시스 전동기 해석 툴을 활용하여 시뮬레이션을 수행하고, 기존 방법에서의 토크 리플 개선 결과인 18.4%보다 작은 11.4 %로 개선되었음을 보였다. 마지막으로 4장에서는 본 연구에 대한 결론과 향후 연구에 대하여 기술하였다.

테스트 전동기는 르로이 소머(Leroy somer)사의 일반적인 산업용 4극(2p = 4) 1.5kW 400V Y결선의 고효율 농형 유도전동기의 정격을 충족하도록 선정하였으며, 주요 정격 파라미터는 표 1과 같다.

테스트 전동기의 주요 치수들은 르로이 소머 전동기를 전기자동차 등 자동차용 전동기 개발 및 제조업체인 ㈜맥시스(Mcsys.co.kr)에 의뢰하여 획득한 것을 기본으로 하여 설정하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.

또한, 앤시스의 맥스웰 전동기 해석 시뮬레이션상에 2D 모델로 구축하고 표 1에서 적시한 정격 성능이 나오는 것을 시뮬레이션 모델에 대한 신뢰성을 확보하였다. 본 모델에서는 스큐 여부에 따른 토크 리플의 영향을 살펴보는 연구이므로, 맥스웰 모델에서는 스큐가 없는 것을 기본 모델로 시뮬레이션을 수행하였다.

구축된 모델에 대한 시뮬레이션 결과는 그림 1에보였으며, 정격토크가 9.4 Nm 보다 조금 큰 10.86 Nm 인 것은 맥스웰 전동기 해석이 전자장적인 특성만을 고려하므로, 실제 동작에서 발생하는 기계손실이 포함되지 않아서이다.

Fig. 1. 
Performance of test motor maxwell 2D model

본 연구에서는 전동기 소음이나 전자파의 주요 발생원 중의 하나인 토크 리플을 줄이기 위하여, 고정자 슬롯과 회전자 슬롯의 양쪽에 반대 방향의 스큐 각도를 제공하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 토크 리플의 개선이 11.4%로 회전자에만 스큐를 주는 기존의 방법의 토크 리플 개선인 18.4%보다 많이 개선되었고 효과적임을 앤시스사의 맥스웰 해석 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

제안된 방법은 이전에 시도된 바 없던 방법으로, 고정자와 회전자의 양쪽 모두에 스큐를 제작해야하는 단점이 있지만, 잠수함 등의 전동추진체인 전동기에서 나오는 전자파의 감소가 더 중요한 응용 분야에서는 필수 방법으로 적용됨이 기대된다.

향후에는 본 연구에서 수행한 시뮬레이션해석 결과를 이론적인 전개와 더불어 실험을 수반한 검증을 수행하고자 한다.