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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 73, No. 12, p.2247-2254

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 17 Oct. 2024Revised : 07 Nov. 2024Accepted : 13 Nov. 2024

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2024.73.12.2247

6상 결선 타입별 회전자 형상 변화에 따른 동기전동기의 출력 특성 비교

Comparison of Output Characteristic of Six-Phase Synchronous Motor with Different Winding Configurations and Rotor Shape Variations

홍성찬 (Sung-Chan Hong) ¹iD 정채림 (Chae-Lim Jeong) ^†iD 김국현 (Kookyhun Kim) ²iD 박성주 (Sung-Ju Park) ²iD

(Dept. of Electrical and Electronic and Information and Communication Engineering, Tongmyong University, Korea. E-mail : hsc9833@gmail.com )
(Dept. of Electrical and Control Engineering, Tongmyong University, Korea E-mail : parksj0314@tu.ac.kr kimk@tu.ac.kr)

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical and Control Engineering, Tongmyong University, Korea. E-mail : cljeong@tu.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

In a six-phase system, the difference in phase shift affects the winding factor and the degree of magnetic coupling, which influences the motor performance. However, the phase shift can lead to complex problems in motor design because both the phase shift and the rotor shape affect the performance of the motor. Therefore, the phase shift should be selected by considering its combination with shape parameters. This study analyzed the output characteristics according to the six-phase winding configuration and rotor geometry. The motor type used in this study is a synchronous reluctance motor, and the six-phase winding is classified into three types (Type 1, Type 2, Type 3) based on the phase shift. Afterwards, finite element analysis simulations were conducted by adjusting the values of the rotor shape parameters for each winding type. The result showed that the phase shift has a minimal impact on the rotor shape. Furthermore, analysis of the simulation confirmed that the parameters in the d-axis region are relatively more affected. Therefore, these analysis results can be utilized in future research related to the design of six-phase rotor shapes.

Key words

Flux barrier, Optimization, Synchronous reluctance motor, Six-phase, Shape parameter, Torque, Torque ripple

1. 서 론

전기 추진 시스템에서 동기전동기는 그 출력 밀도와 효율이 높아 가장 보편적으로 활용되고 있다. 그중에서도 영구자석형 동기전동기(permanent magnet synchronous motor, PMSM)는 희토류 자석을 활용함으로써 높은 토크 출력과 높은 역률이라는 강점을 가진다. 이러한 우수한 특성으로 인해 PMSM은 전기자동차, 전기선박 등 고출력이 요구되는 분야에서 필수 불가결한 요소로 자리 잡았다^[1].

PMSM 내부에는 주로 희토류 자석이 사용되는데, 희토류 자석은 생산 및 가공 과정에서 환경적 문제에 직면하게 된다. 이에 따라 희토류 자석의 사용량을 줄이려는 여러 연구가 다양한 방안으로 시도되고 있다^[2,^3]. 희토류 자석을 대체하는 방안으로 페라이트자석 등의 비희토류 자석을 사용하는 방법이나, 영구자석 대신 회전자 권선에서 계자 자속을 발생시키는 계자 권선형 동기 전동기(Wound Field Synchronous Motor, WFSM) 또는 릴럭턴스 토크를 이용한 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor, SynRM) 등과 관련된 연구들이 제안되었다^[4,^5]. 이 중 동기 릴럭턴스 전동기는 회전자 형상 최적화를 통해 출력 특성을 개선할 수 있는 잠재성이 있고, 기존 유도전동기보다 더 높은 효율을 달성할 수 있으며 유도기의 특성을 더한 라인 기동식 동기 릴럭턴스 전동기 등 활용성이 뛰어나 높은 연구가치를 지닌다^[6].

SynRM은 영구자석형 전동기에 비교하면 출력 및 효율이 다소 낮은 편이나 대신 회전자 가공이 쉽고 자석 관련 설계 제약이 없어 형상 설계에 있어 자유도가 높다. 이는 기계적 강성만 확보된다면 다양한 형상 설계가 가능함을 의미한다. 따라서 SynRM의 성능을 개선하기 위해서는 최적의 회전자 형상을 탐색하는 것이 바람직하다.

SynRM 회전자 설계의 핵심은 철심 코어 내부 공기층으로 이루어진 배리어를 적절하게 배치하는 것이다. 이 과정에서 배리어의 개수, 폭, 위치, 외곽선 형태 등의 수많은 형상 파라미터가 정의된다. 파라미터의 종류, 개수는 컴퓨팅 자원에 따른 소요 시간, 개선하고자 하는 성능 그리고 최적화 기법 등에 따라 달라질 수 있다. 그러나 SynRM 회전자의 형상 파라미터가 증가하면 세부적인 최적화 옵션을 제공하는 반면, 최적화 시뮬레이션 진행 시 소요 시간이 증가하는 단점이 존재한다. 따라서 효율적인 최적 형상 탐색을 위해서는 불필요한 파라미터를 제외하고 적절한 파라미터를 선정하는 것이 중요하다^[7,^8]. Moghaddam ^[7]의 연구를 참고하여 SynRM 출력 특성에 많은 영향을 미치는 회전자 설계 파라미터를 선정하고, 설계 과정을 앞선 연구보다 단순하게 하는 형상 파라미터를 적용하여 분석을 진행하였다.

SynRM의 설계 시 회전자 형상 최적화 과정을 통해서 효율과 출력을 일부 개선할 수는 있으나 영구자석이 없으므로 출력 면에서 한계를 완전히 극복하기는 어렵다. 이러한 문제를 개선하기 위해 6상 시스템을 도입을 고려해 볼 수 있다^[9]. 6상 시스템을 적용하면 더 높은 토크 밀도와 낮은 토크 리플 등 출력 성능개선을 이룰 수 있으며 기존 3상에 여분의 상을 추가하여 고장에 대한 대응능력을 갖출 수도 있다^[10,^11].

6상 시스템은 ABC와 XYZ 상의 두 3상 시스템으로 나누어 생각할 수 있는데 각 3상 시스템은 상대적인 위치에 따라 다른 위상차(phase shift)를 가진다. phase shift가 클수록 평균 토크의 크기나 리플 특성이 좋아지고, phase shift가 작아질수록 평균 토크는 비교적 감소하지만, 고장 대응 성능이 좋아지는 특성을 보인다. 따라서 3상 간 결선의 차이로 인해 phase shift가 나타나고 그것이 출력에 분명한 영향을 준다^[12,^13]. Zhu ^[13]의 연구에 의하면 phase shift로 인한 기자력의 일부 고조파가 상쇄되는 효과가 확인되었다. phase shift에 따른 기자력 고조파 성분의 차이가 존재하고 그것이 회전자를 통해 흐르는 자속에 영향을 준다면 회전자 파라미터 등 다른 설계 요인과의 복합적인 효과도 고려할 필요가 있다.

만약 회전자 설계 시 복합적인 효과가 유의미한 수준으로 드러난다면 형상 최적화 단계 시 고려해야 할 사항이 추가된다. 따라서 본 논문에서는 고정자의 전기자 권선 결선 방법과 회전자 설계 파라미터를 변화시켜가며 토크 출력의 변화 비교분석을 통해 두 가지 요소의 관계를 보고자 한다. 또한, 고정자 결선에 대한 영향이 있는지 확인하기 위하여 6상 결선을 phase shift 별로 세 가지 타입을 선정하였다. 각 결선은 star of slots 기법을 사용하여 3상 결선을 만든 뒤 3상을 추가 배치하여 6상 결선을 구성한 것이다. 이후 선정된 세 가지 타입에 대해 형상 파라미터의 변화에 따른 출력 반응을 비교 분석하였다. 분석에 사용된 회전자 형상 파라미터는 d축과 q축 영역의 파라미터로 구분하였고, 차례로 해석하였다. 마지막으로 타입별 회전자 형상 변화에 따른 출력 차이를 분석하여 결과를 종합하였으며 6상 SynRM 설계 시 결선 선정과 형상 최적화에 있어 활용될 수 있을 것이다.

2. 전동기 사양

시뮬레이션에 사용된 SynRM의 단면도와 사양 정보를 그림 1과 표 1에 각각 나타내었다. 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 출력 특성을 분석하였으며, 시뮬레이션에 적용된 SynRM의 고정자와 회전자 코어의 재질은 50PN470을 사용하였다. 권선의 직경은 0.7mm, 턴수는 55턴으로 설정하였다.

그림 1. SynRM의 단면도

Fig. 1. Cross section view of the SynRM

표 1 SynRM 의 기본 사양

Table 1 Specification of the SynRM

항목	값	단위
상	6	phases
극	8	poles
슬롯	36	slots
전류	1.9	A
속도	1000	rpm

3. 6상 결선법

3.1 Star of slots 기법을 이용한 3상 결선 구성

Star of slots 기법은 정현적인 기자력 파형과 높은 권선 계수를 갖는 결선을 구성하는 기법이다^[14]. Star of slots 기법을 활용하여 각 3상 권선의 구성도를 그림 2의 (a)에 표현하였고, 실제 고정자 단면을 그림 2의 (b)에 나타냈다. (a)의 각 화살표와 화살표 옆의 번호는 슬롯과 슬롯 번호를 의미한다.

그림 2. (a) Star of slots을 활용한 결선 구성, (b) 전동기 3상 결선도

Fig. 2. (a) Diagram based on star of slots method, (b) three phase winding configuration of the motor

예를 들어, 1번 화살표는 결선이 1번 슬롯에서 출발함을 의미하며 코일이 도착하는 지점은 코일 피치에 따라 달라진다. 1번 화살표는 A+ 영역에 위치하므로 A상이 인가되는 권선이며 + 방향으로 코일이 감긴다. 색상은 각각 A, B, C상을 의미하며 모든 화살표에 색상이 하나씩 대응된다. Coil pitch는 8극 36슬롯에서 권선계수가 최대가 되는 5 slots로 선정하였고 분포권과 이층권으로 결선을 구성하였다. 따라서 동일한 방식으로 (a)의 구성도를 Star of slots 기법에 따라 슬롯에 각 상을 배치하면 (b) 결선도와 동일한 결선을 구성할 수 있다.

3.2 phase shift에 따른 6상 권선의 구성

완성된 3상 결선을 기반으로 3상을 추가 배치하여 6상 결선을 구성하였다. 그림 3은 A, B, C 3상 시스템에 X, Y, Z 3상 시스템을 추가한 6상 결선들을 3가지 타입으로 분류한 것이다. 각 결선 별 분포계수, 피치계수, 권선계수를 표 2에 나타내었다. 피치계수는 타입별로 동일하지만 phase shift가 클수록 분포계수가 증가하여 권선계수가 증가한다.

그림 3. 제안된 타입별 권선 결선도와 벡터도

Fig. 3. Proposed winding configurations and their corresponding vector diagrams for each type

표 2 결선 타입별 권선 계수

Table 2 Winding factor values by winding configuration

타입	Type 1	Type 2	Type 3
코일피치	5
피치 계수	0.9848	0.9848	0.9848
분포 계수	0.9698	0.9879	1
권선 계수	0.9551	0.9729	0.9848

자세한 설명을 위해 6상 중 A, X 상을 분리하여 그림 4에 나타내었다. B, Y 쌍 그리고 C, Z 쌍은 모두 서로 대칭이므로 A, X의 구성이 나머지 상들을 대표하는 것으로 여겨 생략하였다. phase shift 값이 클수록 A상과 X상의 분포가 고르게 되어 서로 간의 전기적인 위상이 증가하고, 더욱 정현적인 입력파형을 만들어 토크 출력의 리플을 감소시킨다. 반면, phase shift 값이 작을수록 A상과 X상이 서로 분리되어 고장 시 대응능력은 우수하다^[11].

그림 4. 타입 별 A, X상의 결선 구성

Fig. 4. Winding configuration of the A, X phase by winding type

3.3 6상 결선 타입별 phase shift에 따른 출력 비교

6상 전동기의 경우 Park ^[11]의 연구를 바탕으로 어떠한 고장도 발생하지 않은 상태(Normal Condition, NC)와 고장 발생으로 3상을 임의로 개방하여 A, B, C 상 혹은 X, Y, Z상에 어떠한 부하전류가 흐르지 않는 상태(Half Control mode, HC)의 두 가지 운전으로 나눌 수 있다. 그림 5에서는 선정된 세 가지 결선 타입에 따른 출력 결과를 분석하였고, NC에서는 phase shift가 커질수록 평균 토크가 증가하고 리플이 감소하는 추세임을 확인할 수 있다. 반면, HC에서는 phase shift가 클수록 평균토크는 감소하며 토크리플은 타입별로 다양한 값을 가지게 된다. 결선 타입별로 자기적인 결합 효과의 정도가 다르므로 고장 발생 시 전동기의 성능에 차이가 발생하는 것이다. 이러한 phase shift의 변화에 의한 A, B, C상과 X, Y, Z상 간 상호 인덕턴스 성분의 차이는 회전자를 통해 발생하는 자속에도 영향을 줄 수밖에 없다. 따라서 phase shift와 회전자 형상 파라미터에 따른 출력 특성을 비교 분석하였다.

그림 5. 운전 방식에 따른 세 가지 타입의 출력 비교

Fig. 5. Comparison of output characteristics of three winding types according to operating condition

4. 회전자 형상 파라미터의 선정과 출력 비교

4.1 회전자 형상 파라미터에 대한 설명

그림 6에서 SynRM 회전자 형상에 대한 파라미터를 나타내었다. 선정된 파라미터는 토크와 토크리플 출력에 상당한 영향을 미치는 파라미터들로 구성하였다. 형상 파라미터는 크게 d축 영역과 q축 영역으로 나뉜다. d축 영역에 해당하는 형상 파라미터는 σ, θ, δ로 배리어와 코어의 폭인 Wtn, Stn (n = 1~3)은 δ의 내부에 각각 위치한다. q축 영역에 해당하는 형상 파라미터는 Whn, Shn (n = 1~3)으로 구성된다. 파라미터 변화에 대한 토크 출력을 확인하기 위해서 d축과 q축의 배리어와 코어 각각의 폭이 조절될 것이다. 또한 d축과 q축은 서로 다른 배리어, 코어 비율을 가지게 되는데, 식 (1) 에 따라 릴럭턴스 토크를 최대화해야 하기 때문이다. 그러므로 회전자 형상 변화를 통해 출력을 증가시키기 위해서는 d축 영역의 경우 자기저항을 낮추어 자속을 최대화하고, q축 영역의 경우 자기저항을 증가시켜 q축 자속을 차단해야 한다.

(1)

$T=\dfrac{3}{2}\dfrac{poles}{2}(L_{d}-L_{q})i_{d}i_{q}$

그림 6. SynRM 회전자 단면과 형상 파라미터

Fig. 6. SynRM rotor Cross section and shape parameters.

d축과 q축의 철심 재질의 코어 대비 공기가 차지하는 배리어 영역의 비율을 kwd, kwq 으로 설정하였다. 식 (2)는 kwd, kwq의 계산식이며 Drotor와 Dshaft는 각각 회전자와 샤프트의 지름을 의미하고 Nb는 배리어의 개수를 의미한다. kwd, kwq는 kwdn, kwqn (n=1~3)과는 다른 값이며 자세한 계산식은 표 3에 나타내었다.

표 3 형상 파라미터의 계산식과 기본값

Table 3 Caculation formulars and default values for shape parameters

Parameter	Equation	Initial value
W_t1~3	-	1.79[deg]
S_t1~3	-	1.79[deg]
W_h1~3	-	3 [mm]
S_h1~3	-	2 [mm]
θ	-	10 [deg]
δ	$((360^{\circ}/poles)· 0.5-\theta)/(N_{b}+0.5)$	3.57[deg]
σ	$\delta· 0.5$	1.79[deg]
k_wd	Refer to Eq. (2)	0.56
k_wq	Refer to Eq. (2)	0.31
k_wd1~3	$W_{tk}/S_{tk}(k=1,\: 2,\: 3\cdots N_{b})$	1
k_wq1~3	$W_{hk}/S_{hk}(k=1,\: 2,\: 3\cdots N_{b})$	1.5

(2)

$k_{wd}=\dfrac{\Sigma W_{t}}{S}=\dfrac{\Sigma_{k=1}^{N_{b}}W_{tk}}{D_{rotor}· 0.5-D_{shaft}· 0.5-\Sigma_{k=1}^{N_{b}}W_{tk}}$

$k_{wq}=\dfrac{\Sigma W_{h}}{S}=\dfrac{\Sigma_{k=1}^{N_{b}}W_{hk}}{D_{rotor}· 0.5-D_{shaft}· 0.5-\Sigma_{k=1}^{N_{b}}W_{hk}}$

형상 파라미터와 출력 변화의 상호 영향을 확인하기 위해서 기본모델을 설정하였고 해당 모델의 파라미터 초깃값과 수식을 표 3에 기록하였다.

4.2 타입별 배리어 개수에 따른 출력 변화 (Nb)

그림 7은 배리어의 개수 Nb 에 따라서 변동하는 토크와 토크 리플 결과를 보여준다. (θ, kwd, kwq 는 초기값 고정, 이외의 파라미터는 변동). 모든 타입에서 토크리플이 가장 낮고 동시에 높은 출력을 가지는 Nb가 5~7 구간이 이상적이지만, 형상 파라미터의 개수가 증가하여 분석 시 많은 시간이 소요되므로 모든 분석에서 Nb는 3으로 설정하여 형상 파라미터 분석을 진행하였다.

그림 7. 권선 타입별 배리어 개수 (Nb)에 따른 출력변화

Fig. 7. Output variations with respect to the number of barriers (Nb) for each winding type

4.3 각 타입별 파라미터 θ의 출력 변화

결선의 방식과 무관하게 θ의 변화(δ, σ, kwd 는 함께 변동, 이외의 파라미터는 고정)에 따라 평균 토크 출력은 거의 일정하고, 리플의 크기는 크게 변동하는 것을 확인하였고 결과를그림 8에 나타내었다. 세 타입 모두 거의 일정한 간격을 가지고 토크리플이 변화하는 것을 알 수 있다.

그림 8. 권선 타입별 파라미터 θ에 따른 출력 변화

Fig. 8. Output variations as parameter θ for each winding type

4.4 타입별 d축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd1,2,3)

kwdn(n=1~3)이 증가함에 따라 d축 영역의 δ 내부의 Wtn이 증가하며 Whn, Shn 같은 q축 영역 파라미터와 d축의 θ, σ는 항상 초기값을 갖도록 고정하였다. d축 영역에서 배리어 폭(Wtn)이 증가하게 되면 자기저항이 증가하고 배리어 폭이 감소하면 자속의 양이 증가하게 된다. 그림 9의 시뮬레이션 결과에 따르면 전반적으로는 타입별로 서로 역전되거나 크게 다른 양상을 보이지는 않지만, (a)와 (b)에서 kwd1, kwd2의 값이 0.1~0.7 구간에서 Type 2와 3상 간 리플 값의 격차가 줄어들고 kwd1, kwd2의 값이 대략 0.5일 때 리플이 최소가 된다. 반면 (c)의 kwd3는 오히려 그 값이 클수록 Type 2와 3의 리플 값이 비슷해지는 양상을 띤다. 그러나 kwd3 역시 0.1 ~ 0.5 부근에서 최소 리플을 가지기 때문에 최적점으로 적합하지 않다.

그림 9. kwdn(n=1~3) 에 따른 타입별 출력변화 (0.1~2.8) (a)kwd1, (b)kwd2, (c)kwd3

Fig. 9. Output variations as parameter kwdn(n=1~3) for each winding type. (0.1~2.8) (a)kwd1, (b)kwd2 and (c)kwd3

4.5 타입별 q축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwq1,2,3)

그림 10의 결과는 kwqn (n=1~3)에 따른 타입별 출력 변화를 나타내고, 이때의 모든 d축 영역의 파라미터는 고정값을 가지며 Whn, Shn 값만 변하도록 설정하였다. kwqn은 완만하게 값이 증감하고 리플은 배리어 마다 다른 최적점을 가리키는 것을 확인할 수 있다. 그러나 d축의 kwdn (n=1~3)의 변화와 달리, q축의 변화는 매우 단조롭고 타입별로도 출력 차이의 간격이 거의 일정한 것을 알 수 있다.

그림 10. kwqn(n=1~3)에 따른 타입별 출력 변화 (0.1~2.8) (a)kwq1, (b)kwq2, (c)kwq3

Fig. 10. Output variations as parameter kwqn(n=1~3) for each winding type. (0.1~2.8). (a)kwq1, (b)kwq2 and (c)kwq3

4.6 타입별 d축, q축 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd, kwq)

자속은 SynRM 회전자에서 배리어 사이의 코어 부분을 통해서 흐르기 때문에 kwd와 kwq 두 파라미터에 동시에 영향을 받는다. 특히 kwd가 감소하면 자기저항이 줄어들지만, 그 값이 너무 작아지면 q축 자속 역시 증가하기에 적합한 배리어 폭을 찾을 필요가 있다. 때문에 kwd와 kwq의 값을 동시에 고려할 필요가 있으며 그 조합에 따라 출력 변화를 분석하여 그림 11에 결과를 나타내었다. 그래프의 색상은 토크와 리플 값의 범위를 의미하고 각 범위를 수치와 함께 경계를 표시하였다. 그래프 위의 별 표시는 각각 토크가 최대인 지점과 토크 리플이 최소인 지점을 의미한다. 이 분석에서는 Whn, Shn, Wtn, Stn 값을 조절하여 kwd, kwq 값이 변하도록 하였으며 θ 나 δ, σ 와 같은 d축 파라미터는 초기값을 가지도록 하였다.

그림 11. kwd과 kwq의 조합에 따른 타입별 출력 변화. (a) Type 1, (b) Type 2, (c) Type 3.

Fig. 11. Output variation for different types based on combinations of kwd and kwq. (a) Type 1, (b) Type 2, (c) Type 3.

kwd, kwq 분석결과를 타입별로 설명하면, Type 1의 경우 모든 타입 중 전반적으로 토크는 가장 작고 토크 리플은 가장 큰 값을 가진다. Type 2 역시 이와 유사하지만, Type 1에 비교하여 조금 더 나은 출력 특성을 보이며 토크가 최대가 되는 영역과 리플이 최소가 되는 영역이 세 가지 타입 중 가장 가까이 위치하며 이것은 설계 시 이점으로 작용할 수 있다. 마지막으로 Type 3의 경우 세 타입 중 가장 좋은 출력 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

5. 결과 종합

유한요소해석 시뮬레이션 결과에 따르면 전반적으로 q축 보다 d축 영역의 파라미터에서 뚜렷한 출력 변화를 보여주고, 타입 간의 출력격차는 거의 일정한 수준을 유지했다. 더욱 자세하고 정량적인 분석을 위해 phase shift의 영향을 수치화하였고 결과를 표 4, 5에 나타내었다. phase shift의 영향도는 타입 간의 출력 차이에 대한 분산으로 나타내었다. 그림 12에 나타낸 것처럼 임의의 파라미터 n에 대한 타입별 출력 차이를 Δ0~k, Δ′0~k, Δ″0~k 라 하였고 파라미터값의 범위 (n0~k)에서 출력값의 분산을 각각 var(Δ0~k), var(Δ′0~k), var(Δ″0~k)라 하여 이 값을 phase shift에 대한 파라미터의 영향도로 설정하였다. 만약 파라미터 값의 변동에 따라 타입 간의 출력격차가 거의 없다면 Δ0~k, Δ′0~k, Δ″0~k 가 일정하여 영향도는 작아질 것이다. 반면, 출력격차의 변동이 커 Δ0~k, Δ′0~k, Δ″0~k 값이 크게 변화한다면 분산 값이 증가할 것이다. 따라서 분산 값이 클수록 출력 변화 양상이 phase shift에 많은 영향을 받는 것이므로, 해당 값을 파라미터 n에 대한 phase shift의 영향도로 보았다.

그림 12. 타입 간 출력 차이 Δ0~k, Δ’0~k, Δ‘‘0~k 에 대한 설명

Fig. 12. Explanation of output differences Δ0~k, Δ’0~k, Δ’’0~k between types

표 4와 표 5에 정리된 영향도 분석결과에 따르면 phase shift가 토크리플에 큰 영향을 미치지만, 평균토크에는 영향이 매우 적은 것을 확인할 수 있다. 평균토크에 대한 영향도의 경우 100을 곱한 결과임에도 매우 작은 값을 가져 토크리플과 비교하면 영향도가 거의 없는 것으로 나타났다. 표 5의 토크리플에서는 d축 영역의 파라미터인 kwd1, kwd2, kwd3가 q축 영역의 파라미터와 비교하여 영향도가 높은 경향을 보였다.

표 4 시뮬레이션 전체 결과 종합 (평균토크)

Table 4 Summary of overall simulation results (Average)

	$100· var(\Delta_{0\sim k})$	$100· var(\Delta_{0\sim k}')$	$100· var(\Delta_{0\sim k}'')$
$N_{b}$	0.010	0.188	0.054
$\theta$	0.001	0.008	0.003
$k_{wd1}$	0.002	0.009	0.003
$k_{wd2}$	0.002	0.010	0.003
$k_{wd3}$	0.003	0.015	0.004
$k_{wq1}$	0.000	0.001	0.001
$k_{wq2}$	0.000	0.000	0.000
$k_{wq3}$	0.000	0.001	0.001

표 5 시뮬레이션 전체 결과 종합 (토크리플)

Table 5 Summary of overall simulation results (Ripple)

	$100· var(\Delta_{0\sim k})$	$100· var(\Delta_{0\sim k}')$	$100· var(\Delta_{0\sim k}'')$
$N_{b}$	0.136	1.863	2.285
$\theta$	0.017	0.222	0.183
$k_{wd1}$	0.002	0.220	0.202
$k_{wd2}$	0.062	0.197	0.112
$k_{wd3}$	0.039	0.216	0.130
$k_{wq1}$	0.003	0.082	0.116
$k_{wq2}$	0.005	0.025	0.009
$k_{wq3}$	0.022	0.049	0.082

6. 결 론

6상 결선을 phase shift에 따라서 세 가지 타입으로 분류하였고, 출력에 큰 영향을 미치는 SynRM의 회전자 형상 파라미터를 선정하였다. 이후 6상 결선 타입과 회전자 형상 파라미터에 변화를 주어 타입별 출력 특성이 어떻게 변화하는지 유한요소해석 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 결과는 phase shift가 큰 타입일수록 높은 토크와 낮은 토크 리플을 가졌으며 형상 파라미터를 변화시켰을 때 타입별로 대체적 비슷한 양상의 출력을 보였다. 분석결과 phase shift에 따른 Winding factor의 차이로 인한 출력격차가 존재하고, 형상 파라미터별로 phase shift에 대한 영향도에 차이가 있음을 확인하였다. 특히 d축 영역의 파라미터(θ, kwd1, kwd2, kwd3)와 배리어의 개수인 Nb에서 영향도가 높은 경향을 보였고 평균 토크보다는 토크 리플의 에서 영향도가 높은 경향이 있었다. 파라미터 조정 과정을 통해 타입 간 출력 격차에 큰 변동이 있지는 않았으나 결과를 바탕으로 6상 SynRM 설계 시 최적의 회전자 형상과 phase shift 조합을 도출하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 기존 3상 SynRM 연구에서 사용된 형상 파라미터를 그대로 적용하였고, 배리어 개수를 3개로 고정하였기에 phase shift에 따른 출력 특성이 명확하게 드러나지 않았을 가능성이 있다. 또한, 향후 연구에서는 극 슬롯 조합, 슬롯의 층수 등을 종합적으로 고려한 거시적 분석이 필요하다.

Acknowledgements

본 성과물은 부산광역시의 대학혁신연구단지조성사업 중 “동명대학교 대학혁신연구단지조성사업” 지원으로 수행되었으며. (IURP2401) 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다. (2023RIS-007)

References

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저자소개

홍성찬 (Sung-Chan Hong)

He received the B.S degree in electrial engineering in 2022 from Tongmyong University, Busan, Korea He is currently pursuing his M.S in electrical engineering at Tongmyong University, Busan, Korea. His research interests include motor design and motor control.

E-mail : hsc9833@gmail.com

정채림 (Chae-Lim Jeong)

She received the B.S and M.S degree in electrical engineering in 2012 and 2014, respectively from the Ulsan University, Ulsan, Korea, She received the Ph.D degree in electrical engineering from Incheon National University, Incheon, South Korea, in 2019. From 2019 to 2020, she was with the University of Pavoda, Italy, as a Postdoctoral Research Associate. Since 2020, She has been a Professor at the Tongmyong University, Busan, South Korea. Her research interests include motor design, motor control.

Tel : +82-51-629-1316

E-mail : cljeong@tu.ac.kr

김국현 (Kookhyun Kim)

He graduated with a BSc & MSc degree in Naval Architecture & Ocean Engineering from Inha University in 1994 and 1996, respectively. He took the Ph.D degree in Pusan National University in South Korean in 2007. He has been working for School in Tongmyong University as a professor since 2009. His research interest includes underwater acoustics of ocean mobility.

Tel : +82-51-629-1658

E-mail : kimk@tu.ac.kr

박성주 (Sung-Ju Park)

He graduated with a BSc in naval architecture from Tongmyong University. He took the MSc and Ph.D. degrees in naval architecture and ocean engineering at Inha University in Incheon. He has been working for Tongmyong University as assistant professor since 2020. His research interest includes underwater acoustics and structural health monitoring.

Tel : +82-51-629-1657

E-mail : parksj@tu.ac.kr

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Comparison of Output Characteristic of Six-Phase Synchronous Motor with Different Winding Configurations and Rotor Shape Variations

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 전동기 사양

3. 6상 결선법

3.1 Star of slots 기법을 이용한 3상 결선 구성

3.2 phase shift에 따른 6상 권선의 구성

3.3 6상 결선 타입별 phase shift에 따른 출력 비교

4. 회전자 형상 파라미터의 선정과 출력 비교

4.1 회전자 형상 파라미터에 대한 설명

(1)

(2)

4.2 타입별 배리어 개수에 따른 출력 변화 (Nb)

4.3 각 타입별 파라미터 θ의 출력 변화

4.4 타입별 d축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd1,2,3)

4.5 타입별 q축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwq1,2,3)

4.6 타입별 d축, q축 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd, kwq)

5. 결과 종합

6. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

홍성찬 (Sung-Chan Hong)

정채림 (Chae-Lim Jeong)

김국현 (Kookhyun Kim)

박성주 (Sung-Ju Park)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

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2. 전동기 사양

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3.2 phase shift에 따른 6상 권선의 구성

3.3 6상 결선 타입별 phase shift에 따른 출력 비교

4. 회전자 형상 파라미터의 선정과 출력 비교

4.1 회전자 형상 파라미터에 대한 설명

(1)

(2)

4.2 타입별 배리어 개수에 따른 출력 변화 (Nb)

4.3 각 타입별 파라미터 θ의 출력 변화

4.4 타입별 d축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd1,2,3)

4.5 타입별 q축 영역 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwq1,2,3)

4.6 타입별 d축, q축 절연 비율에 따른 출력 변화 (kwd, kwq)

5. 결과 종합

6. 결 론

Acknowledgements

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저자소개

홍성찬 (Sung-Chan Hong)

정채림 (Chae-Lim Jeong)

김국현 (Kookhyun Kim)

박성주 (Sung-Ju Park)

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