2.1 수중운동체 및 핵심부품의 주요설계 사양

본 연구에서는 3상/6상 구동, 할박배열 유무, 스위칭 주파수, 제작성 등을 고려하여 그림 1에서와 같이 14극 12슬롯 조합을 선정하였다. 또한 표 1에 AFPM 전동기의 극수 슬롯수, 공극 등 주요 사양과 적용된 재료를 나타내었다.

대표적으로 고정자는 가성비가 뛰어난 이방성 전기강판(23PHD085), 회전자는 등방성 전기강판(20PNF1200)을 채택하였다. 최대 출력 시 영구자석의 와전류 손실에 의한 발열 등을 고려하여 영구자석 물성을 N48UH (100℃)로 적용하였다.

2.2 AFPM 전동기 설계 및 출력 방정식

전기추진기의 기본설계 검토 단계에서 최외경을 고려하여 전동기 극-슬롯 수 조합 범위를 선정하였다. 6상 설계가 가능하며, 출력 특성이 높은 3가지 (10극 12슬롯, 12극 72슬롯, 14극 12슬롯 등)중 슬롯수가 적절한 14극 12슬롯을 선정하였다. 그리고 아래와 같은 절차로 설계를 수행하였다.

권선의 극수-슬롯수 조합 조건은

또는,

이며 (여기서, Ns는 슬롯수, m은 상수, T는 극쌍수와 슬롯수의 최대공약수), 상간 위상차가 동일한 대칭성 다 상은 식 (1a)가 적용되고 Dual 3상(6상)과 같은 비대칭성 다 상은 식 (1b)가 적용된다.

슬롯에 배치된 각 상 코일의 도체 분포로부터 권선계수를 계산할 수 있으며^[4,5], 6상 전동기의 극수-슬롯수 조합에 따른 권선계수를 나타내면 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 6상 조합의 경우 대부분 3상이 가능하기 때문에 6상이 가능한 조합만을 나타냈으며, 다상 전동기 극-슬롯 수 조합 선정 프로세스는 그림 2와 같은 단계를 고려하여 선정하였다.

AFPM 전동기의 일반적인 출력 방정식은 다음 식과 같이 표현 할 수 있다^[6].

여기서,

전류 파형계수 (Ki), 전력 파형계수 (Kp), AFPM 전동기의 유효길이에 대한 외측면 직경의 비율 (KL), 고정자 전기장하 (As), 그리고 전동기의 내측면과 외측면의 직경 비율 (λ)은 다음 식과 같이 표현된다.

여기서,

본 논문에서 설계하는 TORUS 형태를 갖는 AFPM 전동기의 평균 전자기 토크 (Te)는 방정식 (2)를 기반으로 다음 식과 같이 정리된다^[6,7].

방정식 (2)와 (4)를 살펴보면, 내측과 외측 표면의 직경 비율을 적절히 결정하는 것이 AFPM 전동기의 제한된 부피를 고려하여 요구되는 설계 사양을 달성하는 데 중요하다. 또한 전기장하, 자기장하, 그리고 공극 자속밀도와 같은 특성 파라미터도 적절하게 결정해야 한다.

2.3 초기설계 및 해석

수십kW급 AFPM 전동기 초기설계를 위해 SSDR 구조의 3상/6상이 가능한 14극 12슬롯 모델에 할박/비할박배열 영구자석이 적용된 AFPM 전동기의 3차원 1/2 해석모델을 기준으로 성능해석을 수행하였다.

그림 3은 영구자석이 축방향으로 착자된 비할박배열 모델과 축방향 착자 및 원주방향 착자된 영구자석이 교번되게 배치하여 공극부에 자속을 집중할 수 있는 할박배열 AFPM 전동기의 자속밀도 분포 해석결과를 나타낸다. 할박배열 모델의 경우 비할박배열에 비해 공극부에 자속이 집중되어 회전자 백코어 측 자속 저감으로 코어의 자속밀도가 낮아짐을 확인할 수 있다^[8,9].

2.4 고정자 재료에 따른 성능비교

수십kW급 AFPM 전동기 초기설계를 위해 그림 4와 같이 다양한 고정자 재료 (23PHD085, 20PNF1200, VACOFLUX 48)의 BH커브를 고려하여 성능비교를 수행하였다^[8]. 그림 5는 고정자 재료에 따른 다양한 성능비교 결과를 나타낸다. 고조파 철손을 저감할 수 있는 대표적인 등방성 전기강판인 포스코 20PNF1500, 변압기 등의 전력기기에 사용되는 이방성 전기강판인 23PHD085와 고출력 코발트 철심인 VACOFLUX 48을 고정자 코어 재료로 고려하여 성능을 비교하였다. 그림 5 (a)는 약 OOkW 출력을 내기 위한 토크와 요구 전류를 나타내며, 고정자 재료별 입력 전류 변화를 고려할 때 고정자 코어 재료 적용 VACOFLUX48, 23PHD085 및 20PNF1500 순으로 요구 전류의 차이를 확인하였다.

그림 5 (b)는 요구전류에 따른 동손과 소재에 따른 철손 특성의 차이로 23PHD085, VACOFLUX48 및 20PNF1500 순으로 효율의 변화를 확인하였다. 그림 5 (c)는 선간전압 최대치를 나타내며 전원사양을 고려할 때 약 15%이상 마진으로 설계됨을 확인하였다. 입력 전류는 이방성 전기강판인 23PHD085가 더 요구되지만, 전체 효율 측면에서는 유사하게 나타났고, 재료비를 고려할 때 종합적으로 이방성 전기강판인 23PHD085가 가장 적절한 것으로 평가되었다.

2.5 최외경/배터리 전압 변화에 따른 성능비교

다음으로 AFPM 전동기의 최외경 (D155/D165)과 배터리 전압 변화 (450Vdc/600Vdc)에 따른 성능비교를 검토하였다. 식 2의 출력 방정식을 고려할 때 전동기 출력은 최외경의 변화의 제곱에 비례하기 때문에 최외경의 변화를 155mm에서 165mm로 상호 비교를 고려하였다. 또한 직경 변화 시 입력 전압의 한계 변화를 450Vdc와 600Vdc를 고려하여 턴수도 11턴과 16턴으로 비교 검토하였다.

그림 6의 해석조건은 적용 재료는 20PNF1500으로 동일하게 두고 할박배열을 적용하였다. 최외경 변화에 따라 전류의 변화로 출력을 맞추고 배터리 전압 변화에 따라 턴수의 변화로 전압제한치를 맞추면서 다양한 성능비교 결과를 나타낸다. 그림 6 (a)는 최외경과 배터리 전압 변화를 고려하여 출력을 내기 위한 토크와 전류 결과를 나타낸다. 최외경과 배터리 전압 변화를 고려할 때 직경이 클수록 배터리 전압이 크게 제공될수록 요구토크를 만족하는 입력전류가 적게 요구되는 것으로 확인되었다. 최외경과 배터리 전압 증가에 따른 그림 6 (b)와 같이 효율의 변화를 보면 직경이 크고 배터리 전압이 더 허용될수록 턴수가 증가하여 입력전류가 감소하여 효율이 증가하게 된다. 그림 6 (c)는 선간전압 피크를 나타내며 전원사양을 고려할 때 적절한 마진으로 설계됨을 확인하였다.

2.6 할박 배열 유무에 따른 비교

앞서 출력밀도를 향상시키기 위해 회전자의 영구자석을 할박 배열로 검토하였다. 할박 배열의 경우 출력은 향상되지만, 상대적으로 비할박배열에 비해 다소 제작상에 어려움이 있으므로 두 가지 결과를 서로 비교 검토하였다.

그에 따라 효율은 할박배열이 비할박배열에 비해 약 2%가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그림 7의 비교 결과를 통해, 전동기 최외경과 배터리의 입력전압이 클수록 입력전류가 낮고 큰 토크를 얻는 것으로 평가되었다. 또한 할박배열 영구자석 적용을 통해 효율과 역률이 향상되었으며, 요구특성을 만족하는 것을 확인하였다.

2.7 고출력 모델 및 PM overhang 유무에 따른 비교

앞선 결과를 바탕으로 출력밀도를 보다 향상시키기 위해 회전자의 영구자석을 할박 배열로 적용하고, 고정자 코어는 이방성 전기강판인 23PHD085을 채택하였다. 또한 최외경을 165mm로 하고 배터리 전압을 600Vdc로 고려하였다.

그리고 일반적으로 반경방향 자속 영구자석 전동기는 축방향으로 회전자의 영구자석 길이를 더 길게 고려하여 출력을 향상시키는 오버행 (overhang) 방법이 있다. 축방향 자속 영구자석 전동기의 오버행은 영구자석이 내경 방향과 외경 방향으로 길이를 더 길게 한 형태가 되며 그림 8과 같다.

최종적으로 고출력 방안이 적용된 모델에 오버행 (기존 외경의 약 7.27% 증가) 유무에 따라서 결과를 비교하였으며 표 5에 그 결과를 제시하였다. 회전자의 오버행 (영구자석, 영구자석+코어 외경 증가)이 적용될 경우, 적용되지 않은 모델에 비해서 동일 토크를 위해 낮은 소요 전류로 인해 토크 상수가 향상되고, 이를 통해 동손 저감으로 발열 개선이 될 것으로 판단된다. 또한 효율이 다소 향상되었다.

하지만 토크리플이 다소 증가하며 무게 증가에 따른 출력밀도가 다소 감소하게 된다. 그러나 이전 2.4~2.6절의 비교 모델인 오버행 미적용 결과에 비해 오버행이 적용된 모델의 효율이 약 2~3% 향상되는 것을 확인하였다. 회전자의 오버행 (영구자석, 영구자석+코어)의 2가지 경우는 효율 측면에서 큰 차이가 없었으며 출력밀도로 보면 영구자석만 오버행을 적용하는 것이 적절한 것으로 평가되었다. 그림 9는 오버행 2개 모델에 대한 3차원 자속밀도 벡터분포 결과를 나타낸다. 그림에서 보면 회전자 오버행으로 인한 자속벡터가 고정자로 향하는 프린징 효과 (fringing effect)를 확인할 수 있다. 자기장하 증가에 따른 전류감소로 효율향상에 기여하는 것을 확인하였다.