2.2.1 타입 1

그림 3은 스포크 타입 1의 회전자 형상을 나타낸다. 회전자 내측 방향으로 누설되는 자속량을 줄이기 위하여 회전자와 샤프트 사이에 누설자속이 흐를 수 없도록 비자성체 재질을 끼워넣었다. 누설되는 자속을 원천적으로 차단할 수 있도록 한 것이다. 그리고 회전자 외측 부분의 누설 차단을 위하여 영구자석을 지지하는 돌기 부분만 남기고 코어 외측을 오픈하였다. 따라서 영구자석에서 발생된 자속은 대부분 고정자 코어로 이동하여 다시 영구자석으로 되돌아 온다.

이와같은 구조는 기존 희토류 영구자석을 사용한 동기발전기와 비교하였을 때 비자성체 지지물이라는 구성품이 새롭게 필요로 하게된다. 또한 회전자 코어가 각각 분리되어 있기 때문에 코어를 모아서 지지할 수 있는 구조를 비자성체 지지물이 가져야하고 코어를 하나하나 결합해야 하는 공정이 생겨나게 된다.

2.2.2 타입 2

그림 4는 스포크 타입 2의 회전자 형상을 나타낸다. 회전자 내측 코어를 극단적으로 작게 설계하는 것이다. 이로인해 내측 코어의 빠른 자속포화를 이끌어 내어서 누설자속을 줄이는 방법이다. 그리고 타입 1과 마찬가지로 회전자 외측 부분의 누설 차단을 위하여 영구자석을 지지하는 돌기 부분만 남기고 코어 외측을 오픈하였다.

이와같은 구조는 한번의 타발로 회전자 코어를 얻을 수 있기에 타입 1에 비하여 회전자 구성품 수도 작고 회전자 코어가 모두 연결되어 있기 때문에 이를 결합해야 하는 공정이 필요하지 않다.

2.2.3 타입 3

그림 5는 스포크 타입 3의 회전자 형상을 나타낸다. 회전자 코어의 내측 브릿지와 외측 브릿지가 번갈아 가며 지그재그 형태로 연결되어 있다. 타입 2와 마찬가지로 회전자 코어가 한번의 타발로 얻을 수 있다.

2.2.4 비교 사양 정리

위 3가지 스포크 타입의 성능을 비교하기 위하여 고정자 형상과 권선 사양은 모두 동일하게 적용하였다. 타입 2와 타입 3은 회전자 내측 브릿지 두께에 따라서 누설되는 자속량이 달라지기 때문에 두께에 따라서 다른 특성을 나타낼 수 있다. 따라서 타입 2와 3은 브릿지 두께를 5mm ~ 1mm로 0.5mm씩 변경하며 성능을 확인한다. 브릿지 두께가 작아지면 생기는 공간은 그림 6과 같이 영구자석을 채워서 비교한다.

2.3.1 역기전력

무부하 역기전력은 300rpm으로 회전할 때 고정자 권선에 유기되는 전압을 살펴보았고 결과는 그림 7과 같다. 3가지 모델 중 비자성체를 사용하여 회전자 코어를 완전 분리시킨 타입 1이 146.14[V]로 가장 높은 역기전력 크기를 나타냈다. 그림 8. (a) 자속선도를 보면 영구자석에서 발생한 자속이 비자성체 커넥터로 자로가

막혀서 회전자 내측으로 발생하는 누설자속 없이 모두 고정자 코어 방향으로 향하게 하였음을 확인할 수 있다. 이로인하여 회전자에서 만들어진 자속이 대부분 고정자 코어의 권선을 쇄교하면서 3모델 중 가장 높은 유기전압을 발생시킨 것으로 보인다.

타입 2와 타입 3은 브릿지 두께에 따라 다른 결과 값을 나타냈다. 브릿지 두께 5mm ~ 4mm 까지는 타입 3이 더 높은 역기전력을 나타냈지만 브릿지 두께 4mm보다 작은 구간에서는 타입 2가 더 높은 역기전력을 나타냈고 두께가 작아질수록 그 차이는 더 커져갔다. 타입 2와 타입 3의 구조적인 차이는 회전자 내측 브릿지의 연결 유무이다. 타입 2의 경우에는 총 10개의 브릿지가 있고 이들은 서로 연결되어 누설자속이 연결된 브릿지로 흐를 수 있다. 타입 3 역시 10개의 브릿지를 가지고 있기는 하지만 브릿지는 2개씩만 연결되어 서로 분리되어 있다. 이와같은 구조적 차이에 의해서 두께 5mm ~ 4mm 구간에서는 회전자 내측 누설자속이 많이 발생하였고 브릿지 두께 4 ~ 1mm 구간에서는 내측 브릿지를 통한 누설보다는 외측 누설이 더 많다고 볼 수 있다.

발전기 용량애 따라서 요구되는 회전자 강성이 다를 수 있기에 높은 회전자 강성을 요구하는 발전기에서는 역기전력 측면에서 타입 2가 타입 3보다 유리하고 낮은 회전자 강성을 요구하는 발전기에서는 타입 3이 타입 2보다 유리한 것으로 보인다.

2.3.2 역기전력

코깅토크는 회전자에 삽입된 영구자석이 철로 되어있는 고정자 코어를 끌어당기면서 발생하게 되는데 풍력발전기에 있어서 코깅토크의 저감은 매우 중요한 요소이다. 코깅토크가 크다면 최초 바람의 힘으로 기동할 때 큰 힘이 필요로 하게 된다. 그리고 발전하면서 토크리플이 크게 발생하여 소음과 진동의 원인이 되어 발전기 운전 수명을 줄이게 하는 원인이 되기도 한다.

코깅토크 결과는 그림 9와 같고 가장 높은 역기전력을 나타낸 타입 1이 3.05[Nm]로 가장 높게 나왔다. 타입 2는 2.82 ~ 2.99[Nm]의 코깅토크를 나타냈으며 타입 3은 0.5 ~ 0.96[Nm]로 타입 1과 2에 비하여 매우 낮게 나타났다. 타입 1과 2는 그림 10에서 나타내는 바와 같이 회전자 외측 브릿지를 가지고 있지 않다. 따라서 회전자가 회전하면서 회전자 코어 부분(ⓛ)에서는 고정자 코어와의 흡입력이 크게 발생하고 외측 브릿지가 없는 영구자석 부분(②)에서는 흡입력이 작게 발생하는 현상으로 보여진다.

또한 타입 2와 타입 3은 브릿지 두께가 커질수록 코깅토크가 줄어드는 경향을 나타냈다. 브릿지가 커지는 것은 곧 누설자속이 많아진다고 볼 수 있다. 따라서 브릿지가 커질수록 누설자속이 늘어나면서 고정자 코어로 흐르는 자속량이 작아지게 되면서 코깅토크가 줄어드는 것이다.

2.4.1 부하토크

부하 시 토크는 그림 12와 같이 타입 3이 가장 큰 것으로 나타났다. 앞서 역기전력 크기의 경우 타입 2와 3은 유사했다. 부하전류 역시 3.3[kW] 부하 출력 시 표 2와 같이 유사한 수준이었다. 하지만 평균 부하토크 부분에서는 타입 3이 타입 1에 비하여 4.7[%], 타입 2에 비하여 3.4[%] 더 높게 나왔다. 일반적으로 스포크타입의 발전기나 전동기의 경우에 릴럭턴스분의 토크는 미미하게 발생하게 된다. 왜냐하면 d축과 q축과의 인덕턴스가 유사하기 때문이다. 하지만 타입 3은 타입 1, 2와는 달리 회전자 외측에 브릿지가 존재하면서 d축과 q축과의 인덕턴스 차가 생기면서 마그네틱 토크 외에 릴럭턴스 토크분이 발생하게 되면서 이와 같은 결과가 나온 것으로 보여진다⁽⁴⁾⁽⁵⁾.

또한 브릿지 사이즈가 변화함에도 타입 2의 경우에는 평균 000[Nm]로 일정하게 나타났고, 타입 3의 경우에도 평균 000[Nm]로 일정한 값을 나타냈다. 이는 브릿지가 줄어들수록 역기전력은 상승하지만 상승분만큼 부하전류가 줄어들면서 동일한 출력인 3.3[kW]를 나타냈기 때문이다.

2.4.2 토크리플, 부하전압, 부하전류

타입 3의 경우에는 다른 타입에 비하여 코깅토크가 매우 작았었다. 하지만 토크리플은 그림 13. (a)와 같이 타입 2<타입 3<타입 1의 순으로 나왔다. 이는 타입 1에 비하여 역기전력이 낮기에 유사한 성능을 내기 위하여 부하전류가 더 많이 들어가면서 발생된 것으로 보인다.

부하전압과 부하전류는 타입 2와 3은 유사한 수준이고 역기전력이 높았던 타입 1의 경우에는 가장 부하전압은 높게, 부하전류는 가장 낮게 해석이 되었다.

2.4.3 철손, 동손

철손과 동손은 그림 13 (a), (b)와 함께 나타났다. 타입 2, 3은 브릿지 두께가 얇을수록 더 많은 철손을 나타내고 있다. 앞서 기술했던 바와 같이 브릿지가 얇아질수록 그만큼 영구자석의 사용량은 많아지게 된다. 또한 브릿지가 얇아질수록 자로가 좁아지면서 회전자 내측으로 누설되는 자속량이 줄어들게 된다. 이로 인하여 회전자로부터 고정자로 다시 회전자로 회귀하는 자속량이 많아지고 이로인해 코어의 자속밀도가 커져가면서 철손이 커진 것으로 보인다.

이는 고정자 코어의 자속밀도 분포를 살펴보면 알 수 있다. 표 3은 브릿지 두께에 따른 고정자 코어의 자속밀도를 나타내는데 브릿지가 얇을수록 많은 자속밀도가 더 높다는 것을 확인할 수 있다.

2.4.4 효율

효율 계산식은 아래 수식 2와 같고, 타입 1이 가장 높게 나타났다. 타입 2와 3의 경우에는 브릿지 두께가 5mm에서는 유사하였으나 브릿지 두께가 얇아질수록 약 0.15[%] 타입2가 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그리고 브릿지 두께가 얇아질수록 효율이 개선되었는데 이는 철손 부분에 있어서는 3모델 모두 유사하였지만 동손부분이 저감되었기 때문이다. 브릿지가 얇아지면서 누설자속이 줄어들면서 동일한 출력을 만드는데 필요한 전류가 작아지면서 동손이 개선되고 따라서 효율역시 개선되어졌다.