영구자석 전동기의 설계

목차

CHAPTER 1 들어가며

1.1 전동기의 힘(토크) 발생원리 : 자기력

1.2 힘 발생원리에 기반한 전동기의 기본 구조

1.3 세계 최초의 전동기

1.4 전동기의 성능 개선 방향성

CHAPTER 2 영구자석 전동기의 동작 원리 기초

2.1 간략하게 보는 영구자석 전동기의 회전 원리

2.2 전류 방향의 제어 - DC 전동기와 BLDC 전동기

2.3 3상 권선

2.4 영구자석 전동기의 구동원리1 : 자속의 관점에서

2.5 영구자석 전동기의 구동원리2 : 전압과 전류의 관점에서

2.6 3상 전동기 구동 시스템

2.7 BLDC 전동기로의 구동

2.8 전동기 속도 결정의 원리

2.9 자극의 수가 회전에 미치는 영향

CHAPTER 3 자성체 재질 : 전기 강판과 영구자석

3.1 자기 쌍극자 모멘트와 비투자율

3.2 자벽론에 의한 강자성체 고찰

3.3 전기 강판

3.4 영구자석

CHAPTER 4 권선법

4.1 권선의 목표 및 기본가정

4.2 용어의 정리

4.3 Star of Slots

4.4 코일의 결선

4.5 권선 계수

CHAPTER 5 IPMSM의 구동원리

5.1 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크

5.2 d축, q축, 전류위상각의 관계

5.3 전류위상각에 따른 마그네틱 토크

5.4 전류위상각에 따른 릴럭턴스 토크

5.5 전류위상각에 따른 합석 자속

CHAPTER 6 지배 방정식과 dq모델

6.1 3상 전압 방정식

6.2 dq 변환

6.3 dq 전압 방정식

6.4 출력식

6.5 철손 고려 모델*

CHAPTER 7 최대출력제어

7.1 전류 제한원과 전압 제한원

7.2 제어모드 1 - 단위 전류당 최대 토크 제어

7.3 제어모드 2

7.4 제어모드 3 - 단위 전압당 최대 토크 제어

CHAPTER 8 쇄교자속 계산 일반식

8.1 기자력과 도체 밀도 분포

8.2 영구자석에 의한 쇄교자속

8.3 코일 전류에 의한 쇄교자속

CHAPTER 9 영구자석에 의한 공극 자속

9.1 SPMSM

9.2 IPMSM

CHAPTER 10 공극 인덕턴스

10.1 SPMSM

10.2 IPMSM

CHAPTER 11 비선형을 고려한 자기 등가 회로 해석법*

11.1 q=1 구조의 IPMSM 자기 등가 회로

11.2 노드 해석법을 사용한 비선형 자기 등가 회로 해석

11.3 Newton-Raphson 법

11.4 비선형 해석을 위한 방정식

11.5 해의 수렴성 향상

CHAPTER 12 출력식의 유도

12.1 장하의 정의

12.2 출력 계수의 유도1

12.3 출력 계수의 유도2

12.4 D와 L의 분리

12.5 슬롯 형상 계수의 경험값

CHAPTER 13 설계 프로세스

13.1 설계 사양의 결정

13.2 경험치의 설정

13.3 권선계수

13.4 공극 자속밀도의 계산

13.5 사이징

13.6 회전자 형상 설계

13.7 턴수 설계

13.8 슬롯 면적의 계산

13.9 고정자 형상 설계

13.10 인덕턴스의 계산

13.11 요구 전류의 계산

13.12 저항의 계산

13.13 구동 전압의 계산

13.14 파라미터 검증 : EL-map*

CHAPTER 14 엑셀을 사용한 IPMSM 설계의 예

Step 1. 기본값 결정

Step 2. 공극자속밀도, 극당 공극자속량 계산

Step 3. 권선 계수의 계산

Step 4. 사이징 및 공극 직경/축방향 길이 결정

Step 5. 회전자 형상 치수 계산

Step 6. 고정자 권선의 턴수 설계

Step 7. 고정자 형상 치수의 계산

Step 8. 인덕턴스의 계산

Step 9. 전류벡터의 계산

Step 10. 토크 계산

Step 11. 입력 전압 계산

머리말

최근 친환경 에너지 정책에 의해 여러 산업 분야에서 전동화가 이루어지고 있으며, 이러한 산업에 응용되는 전동기는 고전적인 전동기가 아닌 인버터 구동 전동기가 대부분을 차지하고 있다. 특히 고출력 밀도 및 고효율이 요구되는 전기자동차 구동 전동기, 드론 추진 전동기 등은 인버터가 사용된 영구자석형 동기 전동기가 주류 모터로 사용되고 있다. 하지만 이러한 전동기에 대한 구동 원리 및 설계 기법에 대해서 다루는 전문 서적은 거의 없는 실정이며 많은 경우 고전적으로 사용되는 직류전동기, 동기전동기 그리고 유도전동기를 기반으로 설명이 되어 있어 영구자석형 동기 전동기에 대한 전문 서적의 필요성이 대두되고 있다. 저자 또한 대학에서 학생들과 산업체 재직자에게 인버터 구동용 영구자석 전동기에 대한 이론과 설계 기법을 강의하면서 전공 서적의 필요성을 절실히 느꼈는데, 미진하지만 스스로 책을 저술해 보면 어떨까 하는 생각에 본 서적을 저술하게 되었다.

저자가 알고 있는 지식들을 되도록 쉽게 그림으로 설명하려 노력하였는데, 5장까지는 전동기 구동 원리의 개념들이 본래 의도인 그림을 기반으로 쉽게 기술되었다고 생각된다. 하지만 6장부터 그 이후 장들은 설계 수식 도출에 관한 내용으로 수식 없이는 설명이 불가하여, 상대적으로 학습에 어려움이 적지 않을 것으로 생각된다. 이 점이 매우 아쉽기는 하지만, 수식 전개에 있어 결과식을 유도하는 과정만 개략적으로 이해해도 많은 도움이 될 것으로 생각한다.

본서는 대학교 학부 과정에서 전기기기를 배우는 학생 중 인버터 구동형 영구자석 전동기에 관심이 있는 학생, 대학원에서 전동기 설계를 전공하는 학생들 그리고 기술변화에 따른 전동기에 대한 지식을 습득해야 하는 산업체 재직자들을 대상으로 하고 있다. 전문적인 설계를 위한 것이 아닌 구동 원리를 비롯한 핵심 이론이 궁금한 사람은 책의 5장까지만 학습하면 되며, 실질적으로 전동기를 설계해야 하는 사람이라면 책의 전반을 학습하는 것을 추천한다. 또한 전동기 설계를 전공하는 대학원 학생들은 11장의 비선형 자기등가회로 해석법도 깊이 있게 학습해 보길 추천한다.

마지막으로 이 책이 출판될 수 있게 도와준 가천대학교 전기기기 연구실 연구원들과 복두출판사 관계자 여러분께 깊이 감사드린다.

2022년 11월

저자 일동