1. 서 론

최근 에너지 고갈문제 혹은 환경 오염문제로 인해 풍력, 조력과 같은 친환경 에너지의 관심이 높아지고 있다. 신재생에너지 분야 중 풍력산업은 전 세계적으로 많은 관심을 받고 있으며, 에너지 변환 효율을 높이기 위해 대용량 시스템이 요구되고 있다. 이에 따라 타워에서 받는 하중을 줄이고 부품 가격을 저감하고자 보다 가볍고 부피가 작은 발전기가 많은 관심을 받고 있다.

본 논문에서는 축방향 자속형 영구자석(Axial Flux Permanent Magnet : AFPM) 기기를 다루어 2.5MW급 직접구동 방식의 풍력발전기에 적용함으로써 기존의 풍력 발전기의 단점을 보완하고 이점을 극대화 하고자 한다. AFPM 발전기는 기존의 이중여자방식 유도발전기 또는 경방향 자속형 영구자석 동기발전기에 대비하여 우수한 체적 출력 밀도와 높은 효율을 갖추고 있어, 저속·고토크를 요구하는 대형 직접구동 풍력 시스템에 적합한 것으로 알려져 있다.

최근 연구에서도 AFPM 구조의 실현 가능성과 활용 범위가 더욱 강조되고 있다. Kutt ^[1]은 대향 회전식 풍력터빈을 위한 이중 로터 AFPM 발전기를 제안하여 고출력·고밀도 응용에 적합한 구조적 가능성을 보여주었다. Zhao^[2]은 AFPM 동기전동기의 설계 및 제어 최적화를 종합적으로 고찰하며 주요 설계 과제와 최신 해결 방안을 제시하였다. Shuaibu^[3]은 코어리스, 모듈형, 하이브리드형 등 다양한 AFPM 구조에 대한 체계적인 리뷰를 수행하였으며, Nishanth^[4] 역시 구조, 손실 메커니즘, 제조 기술 등 최근 기술 동향을 폭넓게 정리하였다. 응용 중심의 연구도 활발히 보고되고 있다. El-Hasan^[5]은 직접 배터리 충전을 위한 코어리스 AFPM 발전기를 설계하여 효율 향상과 코깅 토크 저감을 확인하였다. Ashrafzadeh^[6]은 기어박스 없는 풍력 시스템을 위해 최적화된 모듈형 AFPM 설계를 제안하여 우수한 효율과 확장성을 확인하였으며, Todorov^[7]은 수력 발전 시스템에서 수 MW급 AFPM 발전기를 제작·시험하여 고토크 조건에서도 구조적 안정성을 검증하였다. Ravindran^[8]은 소·중형 풍력에 적합한 양측 슬롯형 AFPM 발전기를 유한요소해석(FEA)으로 분석하여 그 적용 가능성을 제시하였다. 본 연구의 목적은 2.5 MW급 직접구동형 풍력터빈에 적용 가능한 AFPM 발전기를 설계하고, quasi-3D 해석 기법을 통해 성능을 정밀하게 예측하며, 실제 프로토타입 제작 및 실험을 통해 그 타당성을 검증하는 데 있다. 이를 위해 기초 설계식을 기반으로 AFPM 구조를 도출하고, 다중 슬라이스 기반 quasi-3D 유한요소해석 모델을 구축하여 3D 해석 결과와의 일치성을 확인하였다. 또한 제작된 시제품의 전기적·기계적 특성을 시험 평가함으로써 대형 직접구동 풍력 발전용 AFPM 발전기의 실용 가능성을 입증하였다.

2. 대용량 AFPM 풍력발전기 구조 및 설계

2.1 AFPM 발전기 구조

AFPM 발전기는 공극면이 회전축과 직교하는 형태이며, 공극 내에는 축과 평행한 방향의 자속이 발생한다. 전자는 디스크형의 원판에 홀을 내어 영구자석을 삽입한 형태로서, 회전자 양쪽 측면에 두 개의 고정자를 가지는 내전형 타입 또는 고정자를 중심에 두고 양 측면에 두 개의 디스크 타입의 회전자를 회전시키는 외전형 타입으로 제작이 가능하다.

최근 연구에 따르면 AFPM 구조는 짧은 자속 경로와 축방향으로 분산된 자속 분포로 인해, 높은 토크를 발휘할 수 있고 철손이 감소하는 장점이 있어 고출력 응용에 매우 적합한 것으로 보고되고 있다^[9]. 또한 축방향 기하구조는 자연 공냉을 위한 통로 형성이 용이하고, 수냉 시스템과의 통합도 간단하여 효율적인 냉각 구조를 설계하기에 유리하다^[10]. 더불어 AFPM 발전기는 동일 출력의 기존 유도기 대비 축방향 길이가 약 1/4 수준으로 매우 짧으며, 기어박스 없이 직접 구동 방식으로 구성할 경우 축 길이는 더욱 감소한다. 또한, 구조적으로 큰 직경과 짧은 축방향 길이를 이용하여 모듈형으로 제작이 가능하여 필요한 경우 여러 대를 축방향으로 연결하여 더 큰 출력이 필요한 경우 효과적으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 연구에서 적용한 AFPM 발전기의 구조를 Fig. 1에 나타내었다. 외부 풍력발전 블레이드가 발전기 샤프트를 통해 직결되는 구조로 발전기 내측에 회전자를 갖는 내전형 타입으로 설계되었다. 고정자의 치와 요크를 달리 두지 않고 같이 제작한 형태의 분할코어를 적용하였으며, 외부프레임에 지지되는 구조로 되어 있다. 또한 고정자 치는 돌극형 구조의 슬롯 코어로 적층되어 있으며, 회전자는 양측면 고정자 사이에 영구 자석을 부착한 표면자석형 타입으로 구성되어 있는 양측면식 내전형 AFPM 발전기이다.

Fig. 1. Assembly components of Large-Scale AFPM generator

Table 1. Design specifications of large-scale AFPM generator

Item	Unit	Value
rotor type		inner
current density	A/mm^2	under 3.5
Max. Flux density	T	0.9
rated power	kW	2500
rated voltage	V	690
rated current	A	2270
rated speed	rpm	16
rated torque	kNm	1588
efficiency	%	94
power factor		0.92
temp. condition	℃	-10~-40
demagnetization		stable

2.2 AFPM 발전기 설계

대용량 AFPM 발전기의 각 요소별 주요설계에 관해 수식적으로 나타내었다. 이에 본 논문에서 적용하고자 하는 직접구동 방식 풍력시스템에서 요구하는 발전기 사양을 정리하여 Table 1에 나타내었다. 발전기 출력사양은 블레이드 사양을 고려하여, 정격 축 속도 16rpm에서 용량은 2.5MW이며, 출력전압은 690V이다. 발전기 냉각장치는 고정자 코어를 이용한 수냉방식을 적용하며, 초기설계시의 발전기 효율은 정격속도에서 94% 이상으로 선정하였다.

AFPM 발전기 설계 시 발전기 용량, 축 속도 및 출력전압등 설계 요구사양을 고려하여 발전기 기본설계를 한다. 발전기 기본설계 단계에서는 치수 방정식을 이용하여 발전기 유효 부품의 재질 및 주요 치수를 산정하게 되며, 해석을 위한 모델링을 거쳐 발전기 특성을 예측하게 된다. 발전기를 해석하는 단계에 있어 전기적 해석뿐만 아니라 기계적 해석을 병행하여, 기계적 요소부품 설계 및 수정보완 단계를 거치게 된다.

Fig. 2에서는 대용량 AFPM 발전기 주요 설계변수를 보여주고 있다. 발전기 체적과 관계되는 기본적인 치수로 발전기 외경 및 내경을 $D_{o}$, $D_{i}$, 축방향 길이를 $L_{stk}$로 나타내었다. 고정자와 관계된 변수로 슬롯 면적을 $A_{slot}$, 슬롯 폭은 $w_{s}$, 슬롯 높이를 $h_{s}$, 슬롯 오프닝을 $b_{so}$, 고정자 요크 두께를 $d_{s}$로 정의 하였다. 회전자와 관계된 변수로 영구자석 극간격을 $\tau_{p}$, 영구자석 두께를 $h_{pm}$, 회전자 요크 두께를 $h_{ry}$로 정의하였다. 고정자와 회전자 사이의 공극 길이를 $g$로 나타내었다.

Fig. 2. Design variables of Large-Scale AFPM generator

AFPM 발전기의 기본설계단계에서 치수 방정식을 통해 출력과 관계된 주요 치수를 산정할 수 있다^[11]. 이는 경방향 자속형 영구자석 기기의 치수방정식에 AFPM 기기의 평균 반경방향을 적용하여 주요치수를 계산하였다.

AFPM 발전기의 특성식에 의하여 영구자석 한 극 당 발생하는 토크 와 토크 상수 는 다음과 같이 표현할 수 있다.

(1)

\begin{align*} \vec{T_{d}} & = & 2\alpha_{i}m_{1}N_{1}k_{w}I_{a}B_{mg}\left(\dfrac{D_{0}^{2}-D_{i}^{2}}{4}\right)\\ & = &\alpha_{i}m_{1}N_{1}k_{w}I_{a}B_{mg}D_{0}^{2}\left(\dfrac{1-k_{d}^{2}}{4}\right)I_{a} \end{align*}

여기서, $\alpha_{i}$는 영구자석 극호비, $m$은 고정자 상수, $N_{1}$ 은 직렬 턴 수, $k_{w}$는 권선 계수, $I_{a}$는 고정자 전류, $B_{mg}$는 공극 자속밀도를 나타낸다. 상당 역기전력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

\begin{align*} E_{f}& = &\sqrt{2}\pi n_{s}N_{1}k_{w}\alpha_{i}B_{mg}\dfrac{D_{0}^{2}-D_{i}^{2}}{8} \end{align*}

발전기 출력방정식, $S_{elm}= m_{1}2E_{f}I_{a}= m_{1}E_{f}2 I_{a}$에 대입하여 풀면 다음과 같이 표현할 수 있다.

(3)

\begin{align*} S_{elm}& =\pi^{2}n_{s}k_{w}D_{avg}^{2}L_{i}B_{mg}A_{m(r)} \end{align*}

여기서, $D_{avg}^{2}L_{i}$은 발전기 외내경 비에 대한 계수, $k_{d}= D_{i}/ D_{o}$를 사용하여 식 (4)과 같이 나타낼 수 있다.

(4)

$D_{avg}^{2}L_{i}=\dfrac{D_{o}^{3}}{8}(1+k_{d})(1-k_{d}^{2})$

AFPM 기기 특성상 제약된 외경 치수에서 최대 출력을 내기 위해선 발전기 내경 치수를 줄여 유효단면적을 크게 가져가야 할 필요성이 있다. 이로 인해 발전기 축방향 길이를 줄일 수 있게 되어 AFPM 기기 최대 장점인 컴팩트한 구조가 가능하게 된다. 하지만 동일 외경치수에서 축방향 길이를 줄이기 위해 내경을 줄이면 출력면에서 비효율적인 결과를 얻게 된다. 이와 관련하여 AFPM 기기의 설계단계에서 적합한 내 외경 비, $k_{d}$가 선정되어야 한다.

AFPM 기기는 고정자 및 회전자의 내경과 외경 길이가 발전기 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소가 되기 때문에 내, 외경의 길이 비와 공극 자속 밀도의 변화에 따른 출력 밀도를 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. 발전기 최대 출력을 고려하여 출력 방정식에 따른 토크계산을 하면 내외경 비, $k_{d}$는 약 0.58로 쉽게 계산되어 진다. 하지만 실질적으로 제작 구조를 고려하면 는 0.6이하로 적용하기는 어렵다. 이는 내경치수가 작아짐에 고정자 권선의 엔드턴과 기기 축간의 간섭을 고려해야 하며, 특히 대용량 기기에서는 축방향 작용힘이 커짐에 따라 발전기 기계적 부품의 치수가 커져 결과적으로 사이즈 및 가격면에서 단점을 가지게 된다. 따라서 발전기 설계시 내외경 비에 따라 영구자석과 고정자 상호간에 발생되는 축방향 작용힘을 고려하여 고정자 요크, 프레임 및 회전자 디스크 요크에 대한 대략적인 치수 설계를 할 필요성이 있다. 이에 본 논문에서는 발전기 내외경 비인 $k_{d}$에 따른 여러 특성을 예측하여 설계 시 반영하였다.

Fig. 3. Power density according to magnetic flux density and diameter ratio

Fig. 4는 $k_{d}$에 따른 공극자속 밀도 그리고 선전류 밀도에 대한 관계를 보여주고 있다.

Fig. 4. Magnetic flux density and line current density according to $k_{d}$

이에 따른 발전기 전체 체적, 무게 및 토크밀도 등을 계산하여 Fig. 5에 나타내었다. 이처럼 $k_{d}$에 따른 발전기 여러 특성을 고려하고, 해석을 통한 검증 등을 통해 본 논문에서 다루는 AFPM 발전기의 $k_{d}$를 0.76으로 선정하였다.

Fig. 5. Volume, weight, material cost and torque density according to $k_{d}$

2.3 AFPM 발전기 유한요소 해석

본 논문에서는 3D 유한요소 해석 모델과 유사한 3D-qausi 모델을 도입하여 AFPM 기기의 반경방향에 따라 5개의 슬라이스를 나누어 해석하려 한다. 최근 연구에 따르면 이러한 다중 슬라이스 기반 모델링 또는 2D–3D 하이브리드 모델링 기법은 AFPM 기기에서 반경 방향 자속 분포의 변화를 고려할 수 있어 예측 정확도를 크게 향상시키는 것으로 보고되고 있다^[12]. 일반적으로 기기의 내외경의 평균 치수를 고려하여 2D linear 모델로 변환하여 해석을 진행하기도 하는데 이러한 방법으로 해석한 결과 또한 3D 모델을 이용한 해석결과와 비교하면 매우 정확한 결과를 얻기 힘들다. 이는 발전기 내경과 외경 부분에서의 누설리액턴스 성분으로 인해 자속 밀도가 균일하지 않기 때문에, 실제와 차이가 남을 확인할 수 있다. 이에 quasi-3D 모델에 발전기 내외경에 따른 보정 값을 주어 보다 정확한 해석을 가능하게 하였다. 제안된 quasi-3D 모델 및 3D 유한요소 해석모델을 이용하여 각각 특성을 해석한 결과를 비교하여 제안된 해석모델에 대한 결과 검증을 하였다.

Fig. 6은 quasi-3D 모델에 대한 기본 개념도를 보여주고 있다. quasi-3D 모델은 3D 모델에서 기기의 반경방향으로 반지름 에서 내에 여러 개의 모델로 분할하여, 각각의 모델을 2D 모델로 변환하여 해석결과를 중첩시키는 원리를 가진다. Fig. 7에서는 quasi-3D 해석모델의 주요 변수를 나타내었다.

Fig. 6. Quasi-3D analysis description

Fig. 7. Quasi-3D analysis model of AFPM generator

본 연구에서는 AFPM 발전기의 반경 방향 자속 특성을 반영하기 위해 총 5개의 슬라이스로 구성된 quasi-3D 모델을 사용하였다. 슬라이스 개수는 반경 방향 자속 변화량과 기존 연구의 적용 사례를 참고하여 결정하였다. 각 슬라이스는 면적 비율을 기반으로 가중치를 부여하여 전체 토크 및 자속 계산에 반영하였다. 또한 끝단 누설자속, 슬롯 오프닝, 스큐 등 2차 효과는 단면 해석 기반의 보정계수를 적용하여 간략화된 형태로 모델에 포함하였다. quasi-3D 모델의 정확도 향상을 위해 3D 해석 결과와 비교하여 얻은 자속 보정계수 G(s)를 슬라이스별로 적용하여 반경 방향 자속 분포 차이를 보완하였다.

3. 해석결과

제안된 quasi-3D 모델 및 3D 유한요소 해석모델을 이용하여 각각 특성을 해석한 결과를 비교하여 제안된 해석모델에 대한 결과 검증을 하였다. 또한 발전기의 내 외경 끝단에서 효과를 확인하기 위해 자속밀도 성분을 반경방향에 따라 확인하였으며, 이를 3D 해석모델, quasi-3D 해석모델, 그리고 자속계수 G(s)가 고려된 quasi-3D 해석모델에 대해 각각 비교하여 나타내었다. 결과적으로 유효단면적 내에서는 거의 유사한 자속밀도 분포를 얻을 수 있었으며, 발전기 내 외경 끝단에서는 자속계수 G(s)를 고려한 모델이 3D 모델 해석결과와 유사함을 확인 할 수 있었다.

Fig. 8. Analysis results of magnetic flux curve (quasi-3D model and 3D model)

Fig. 9. Analysis results of magnetic flux distribution (quasi-3D model and 3D model)

Fig. 8과 Fig. 9에서 제안된 quasi-3D 모델과 3D FEM이 유사한 자속 분포 경향을 보임을 확인하였다. Table 2에서는 무부하 조건에서 반경 방향에 따른 공극 자속밀도에 대해 quasi-3D 모델과 3D FEM 결과를 비교한 정량 분석을 제시하였다. Table 2의 결과는 quasi-3D 모델에 반경 위치별 보정계수 G(s)를 적용한 이후의 해석 값으로, 전체 RMSE는 약 0.026 T(평균 자속밀도 대비 약 2.1%), 반경별 최대편차는 약 2.5~2.6% 이내로 나타났다. 이는 보정계수가 3D 해석과 quasi-3D 해석 간의 반경 방향 자속 차이를 효과적으로 보완하고 있음을 의미한다.

본 논문에서는 3D FEA 결과를 기준으로 반경 위치별 공극 자속밀도 차이를 보정하기 위해 슬라이스 i에 대한 보정계수 G(s)를 다음과 같이 정의하였다.

먼저 3D 유한요소해석을 통해 반경 위치별 공극 자속밀도 $B_{3D(ri)}$를 산출하고, 동일 조건에서 quasi-3D 단면 해석을 수행하여 $B_{q3D(ri)}$를 구한다. 이를 이용해 각 슬라이스의 보정계수 G(s)를 계산한 뒤, quasi-3D 해석값에 이를 곱하여 보정된 자속밀도 $B_{corr(ri)}$를 얻는다. 마지막으로 슬라이스 면적 비율을 적용하여 전체 자속, 토크, 역기전력 등 전자기량을 가중합 방식으로 재 산출하였다.

다음은 발전기 상권선 단락 시 영구자석 감자영향 유무를 해석으로 확인하였다. 발전기 정격속도에서 상 권선을 강제로 단락시켜 영구자석의 최소 자속밀도를 확인함으로 감자여부를 판단하였다. 현 설계에 반영된 영구자석 등급은 N44SH로 120도 조건에서 0.1T이하 이하일 경우 불가역 감자로 판단할 수 있다. 이에 설계 임계치를 0.3T로 두고 설계를 진행하였다. Fig. 10과 11에서는 단락전류 및 자속밀도 분포 해석결과를 보여주고 있다. 발전기 이상 단락(ideal short)시 고정자 전류는 8,000A로 해석되었으며, 영구자석 자속밀도는 0.4T로 감자에는 이상 없음을 확인하였다.

Fig. 10. Analysis results of phase current at 3-phase short condition

Fig. 11. Analysis results of flux density distribution at 3-phase short condition

4. 시험결과

본 논문에서 적용한 발전기 구조는 양측 고정자와 가운데 회전자를 갖는 내전형 타입으로 조립 부품을 크게 고정자 2set, 회전자 1set 그리고 하우징 및 기타 브라켓 등으로 나눌 수 있다. 고정자 제작은 금형을 이용한 분할코어방식으로 제작하였으며, 회전자는 요크에 영구자석 부착방식으로 조립되었다. 발전기 각 주요 부품별 가공 및 제작이 완료되면 고정자를 베이스로 두고 회전자, 하우징 그리고 반대측 고정자등의 순서로 조립하게 된다. 조립공정은 매우 간단하며, 특히 RFPM 발전기 대비 작업 공정이 매우 단조롭고 작업 시간이 상대적으로 적어 많은 이점을 가진다.

본 논문에서는 정격 토크와 축방향 자력을 고려하여 로터·요크·프레임의 기본적인 Von Mises 응력 수준을 검토하였으며, 구조 부품은 모두 안전계수(SF) 1.7을 설계 임계치로 두어 구성하였다. 한편 회전자에 작용하는 전자기력을 반영한 기구 설계와 디스크 변형 등을 포함한 상세 구조해석은 본 연구의 범위를 넘어서는 내용으로, 후속 연구에서 별도로 다룰 예정이다.

Fig. 12에서는 최종 조립된 AFPM 발전기 사진을 보여주고 있다. 발전기 하부 지지대는 성능시험을 위해 하중을 고려하여 설계, 제작되었다. 기계적 해석단계에서 발전기 시험용 지지 구조 또한 고려되어 결과를 도출하였다.

Fig. 12. Prototype of 2.5MW AFPM generator and experiment devices

실험에서는 무부하 및 부분 부하 조건에서 전압·전류·온도 등을 측정하였으며, 모든 측정값은 동일 조건에서 반복 측정하여 대표 값 을 사용하였다. 발전기 출력전압은 무부하 조건에서 축 속도를 0rpm에서 최대속도 26rpm까지 가변하여 각각 측정하여 나타내었다. 발전기 설계사양은 정격속도 16rpm에서 해석결과는 약 730V로 나타났다. Fig. 13는 발전기 축 속도에 따른 출력전압 rms 값을 측정된 값과 해석결과를 비교한 결과를 보여주는 Fig.이다. 시험결과 16rpm에서 약 725V로 해석결과와 유사한 결과를 얻었으며, 최대속도 26rpm까지 선형적으로 증가함을 확인하였다. Fig. 14에서는 출력전압 파형을 보여주고 있다.

Fig. 13. Test results (Output voltage)

Fig. 14. Test results (Output voltage wave form)

발전기 냉각장치의 효과를 확인하기위해 온도포화시험을 냉각장치 유무에 따라 각각 진행하였다. 코일 온도는 고정자 엔드턴 부근의 슬롯 경계에 열전대를 부착하여 측정하였다. Fig. 15에서는 온도포화 시험결과를 보여주고 있다. 온도 변화를 확인하기 위해 주위 온도를 측정하였으며, 약 20℃의 환경 내에서 시험을 진행하였다. 결과적으로 냉각 장치의 물을 순환하지 않았을 때, 고정자 권선 및 코어에서 온도변화는 각각 100℃, 50℃로 확인하였으며, 냉각장치에 물을 순환한 경우 고정자 권선에서 약 74℃, 코어에서 약 38℃의 온도변화 결과를 얻을 수 있었다. 이에 고정자 권선의 전류 밀도등 설계가 잘 이뤄졌음을 확인할 수 있었으며, 냉각장치로 인해 약 25℃이상의 냉각효과를 가져올 수 있었다.

Fig. 15. Test results (Temperature)

Table 3에서는 시험을 통해 측정된 발전기 시험결과와 해석결과를 비교하여 나타내었다.

4. 결 론

본 연구의 독창성은 기존 AFPM 관련 연구들이 제한적인 해석 모델 적용 또는 소규모 시제품 평가에 머무른 데 반해, 2.5 MW급 직접구동 풍력터빈을 대상으로 설계–해석–실험을 아우르는 일관된 검증 절차를 제시하였다는 점에 있다. 먼저 기초 설계식을 기반으로 발전기 구조를 도출하고, 반경 방향 자속 분포를 고려한 quasi-3D 해석 모델을 수립하였다. quasi-3D 모델은 3D FEA 결과와 비교하여 유사한 경향을 보였으며, 대형 AFPM 구조에 대해 충분한 설계 정확도를 제공함을 확인하였다. 또한 제작된 시제품을 이용한 무부하 및 부분 부하 시험을 통해 전압·전류 파형과 기본 효율 특성을 실험실 범위 내에서 검증하였다.

본 연구의 검증 수준은 설계–해석–기초 특성 실험 단계에 해당하는 1차 검증 수준으로, 이는 대형 AFPM 발전기의 전자기적·기계적 타당성을 확인하기 위한 필수 초기 단계이다. 다만 연구 환경의 한계로 인해 정격 2.5 MW 부하 시험이나 장시간 열·기계 복합 시험과 같은 정격 운전 기반의 실증 검증은 향후 연구 과제로 남아 있다. 이러한 정격 수준의 검증은 산업용 대형 시험설비가 필요한 범위이므로, 후속 연구 단계에서 수행하여 본 연구에서 제시한 설계 및 해석 모델을 더욱 고도화할 계획이다.