• 대한전기학회
Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers
  • COPE
  • kcse
  • 한국과학기술단체총연합회
  • 한국학술지인용색인
  • Scopus
  • crossref
  • orcid

  1. (Dept. of Railway Vehicle System Engineering, Korea National University of Transportation.)



Gear Characteristics, Permanent Magnet Motor, Magnetic Gear Motor, Synchronous Motor

1. 서 론

현재 철도차량의 견인전동기로는 무가선 저상트램, 도시철도차량, 고속철도 등 대부분 추진시스템에서는 유도전동기를 적용하고 있다. 유도전동기는 구조적으로 강인하나 토크밀도가 낮은 단점을 가지며, 효율을 높이거나 경량화 하는데 어려움이 있다. 최근에는 높은 에너지 밀도를 가지는 희토류계 영구자석이 전동기에 적용되면서 유도전동기보다 효율과 토크밀도가 향상된 영구자석 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM이 상당수 개발하는 추세이다(1-2). PMSM은 유도전동기에 비해 영구자석에 의한 높은 공극자속밀도로 높은 토크의 출력특성을 가지며, 회전자에서 큰 손실이 발생하지 않아 유도전동기보다 정격속도에서 약 2~3%의 효율이 높다. 대부분의 전동기 중에서 효율과 토크밀도 제어성, 제작성 등에서 장점을 가지고 있기 때문에 제어용 전동기로서 가장 효용성이 있다(3-4). 현재의 산업에서의 구동 시스템은 저속/고토크 또는 고속/저토크로 운전하기 위해서는 기계식 기어와 전동기로 구성된다. 보통 기계식 기어의 역할은 전동기에서의 기계적 출력 속도를 감속하여 전동기의 토크를 증폭시키는 역할을 한다. 그러나 기계식 기어는 접촉식으로 치와 치가 맞물려서 회전하는 구조로 구성되기 때문에 치의 마모로 인한 유지보수 비용과 소음, 진동에 큰 단점을 가지고 있다. 마모를 최소화하기 위해서 윤활유를 넣지만 이 또한 유지보수 비용에 추가된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 비접촉식 마그네틱 기어(Magnetic Gear, MG)의 연구가 최근에 활발히 진행되고 있으며, 희토류계 영구자석을 적용할 수 있기 때문에 효율이 매우 높고 사이즈를 저감시킬 수 있는 장점을 가진다(5-7). 그러나 이러한 구동 시스템 또한 감속기와 전동기 단품 모두 필요한 시스템이기 때문에 구조가 복잡하며 경량화에 한계가 있다(8-10). 또한, 저속에서의 고토크가 요구되는 상용차 및 철도차량과 같은 대용량 구동시스템에서는 기어 및 견인전동기를 일체화 시키는 것이 유리하다. 따라서 본 논문에서는 기존 구동시스템의 단점을 보완할 수 있는 마그네틱 기어 일체형 영구자석 전동기(Magnetic Gear integrated permament magnet Motor, MGM)를 제안한다. MGM은 저회전/고회전력과 고회전/저회전력의 역할을 수행하는 MG와 PMSM이 일체형인 그림 1과 같은 구조이다. MGM의 적용으로 기존의 복잡한 구동시스템이 단순화되고 사이즈를 저감시킬 수 있어서 경량화에 유리한 구조가 된다. 또한 MGM은 PMSM과 다르게 자속 변조 특성으로 인하여 토크가 증폭되어 토크밀도가 높은 특성을 가진다. 또한 속도에 대한 특성으로 PMSM 대비 고정자의 동기속도보다 낮은 회전속도 또는 높은 회전속도로 설계가 가능하여 감속기 또는 증속기의 효과가 가능하다. 결국 높은 토크밀도 및 넓은 속도영역에서 고효율화가 가능하다. 본 논문에서는 MGM의 구조 및 원리에 대해서 설명하고, MGM의 회전속도 및 토크 특성에 대하여 분석한다. 그리고 극수 조합에 따른 기어 특성에 대하여 전제조건 내 증속형 MGM 및 감속형 MGM을 설계 및 전자기적 특성을 분석하고, 최종적으로 PMSM과 비교 분석하여 성능을 최대화할 수 있는 설계 모델을 제안한다.

그림. 1. 제안하는 MGM의 구조 개념도

Fig. 1. Suggested structural conceptual diagram of the MGM

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig1.png

그림. 2. MGM의 구조 (a) 정면도 (b) 측면도 (c) 구성도

Fig. 2. Structure of MGM (a) Front view (b) Side view (c) Configuration diagram

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig2.png

2. MGM 구조 및 기본 특성

2.1 MGM의 구조

MGM는 그림 1에서 구조 개념도를 보면 MG와 PMSM의 결합된 구조로 1개의 시스템 내에서 MG와 영구자석 전동기의 역할을 모두 수행할 수 있는 특성을 가지며, 기존 구동 장치의 장점만을 가지는 새로운 구동 시스템이다. 그림 2의 MGM의 구조를 보다 상세히 살펴보면 최내각 기준으로 계자 영구자석을 가지는 1차 회전자(계자), 그리고 반경방향으로 1차 공극, 자속을 변조시키는 2차 회전자(자속변조철심), 2차 공극, 그리고 가장 최외각에 회전자계를 발생시키는 고정자(전기자)를 가지는 구조로 구성되어 있다. 기존 구동 시스템과 구조적인 차이점은 MG의 고정자에 회전자계를 발생시키기 위한 전기자가 추가된 구조이다. MGM의 기본적인 특성은 계자 영구자석을 가지는 1차 회전자(계자)와 회전자계를 발생시키는 고정자(전기자) 극수의 비에 의해 기어비와 2차 회전자(자속변조철심)의 개수가 결정되고, 저속/고토크 또는 고속/저토크의 성분으로 변경되어 1, 2차 축에 입/출력으로 발생된다.

2.2 기본 특성식

자속 변조 효과를 발생하기 위한 전제 조건은 식 (1) 이며, 이러한 관계를 만족하지 않으면 자속 변조 효과는 발생하지 않는다. 그 이유는 자속 변조 효과는 2차 회전자(자속변조철심)의 비퍼미언스에 의한 고조파 성분이 고정자(전기자)의 극쌍수와 동일한 수인 n차 기본파의 성분으로 변조시키고, 1차 회전자(계자)의 극쌍수와 동일한 수인 n차 기본파의 성분으로 변조시킨다. 이러한 변조 효과에 의해 고정자(전기자)의 기자력과 1차 회전자(계자)의 자계가 동기화되어 토크가 발생되는 원리이므로 식 (1)의 관계는 필수 조건이다. MGM은 1차 회전자(계자), 2차 회전자(자속변조철심), 고정자(전기자)의 극수가 산정되면 극쌍수에 의해 기어비가 결정된다. 식 (2)은 고정자(전기자)의 극쌍수와 2차 회전자(자속변조철심)의 개수에 의한 기어비, 식 (3)은 고정자(전기자)의 극쌍수와 1차 회전자(계자)의 극쌍수에 의한 기어비, 식 (4)는 1차 회전자(계자)의 극쌍수와 2차 회전자(자속변조철심)의 개수에 의한 기어비이다.

(1)
$N_{pp}$=$p_{f m}$+$p_{s}$

(2)
$G_{r1}=\frac{p_{fm}+p_{s}}{p_{s}}=\frac{N_{pp}}{p_{s}}$

(3)
$G_{r 2}=\frac{p_{f m}}{p_{s}}$

(4)
$G_{r3}=\frac{N_{pp}}{p_{fm}}$

2.3 회전속도 특성

MGM는 1차 회전자(계자), 2차 회전자(자속변조철심) 및 고정자(전기자)의 회전자계의 회전속도의 관계가 매우 중요한 요소가 되며, 각 영역에 대한 회전속도의 관계는 식 (5), (6), (7)과 같다. 그림 3과 같이 각 영역의 속도의 관계는 증속형 MGM과 감속형 MGM으로 나누어서 설명할 수 있다. 증속형인 경우 회전속도 관계의 스펙트럼은 그림 3(a)와 같으며, 1차 회전자(계자) 또는 2차 회전자(자속변조철심)에 부하 연결 시 요구되는 정격속도 또는 최대속도와 극수가 정해지면 전기적인 주파수가 결정되고, 그림 3(a)의 관계에 의해서 1차 회전자(계자) 또는 2차 회전자(자속변조철심) 영역의 회전속도를 산정할 수 있다. 이처럼 그림 3(b)의 감속형 일 때에도 동일한 원리이며, 이러한 회전속도 관계의 스펙트럼을 통해서 각각의 가속 또는 감속 상태를 설명할 수 있다.

(5)
$\omega_{p p}=\omega_{f m} \cdot \frac{p_{f m}}{p_{p p}}$

(6)
$\omega_{s}=\omega_{pp} \cdot \frac{p_{pp}}{p_{s}}$

(7)
$\omega_{fm}=\omega_{s} \cdot \frac{p_{s}}{p_{fm}}$

그림. 3. 회전속도 관계 스펙트럼 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 3. Spectrum of rotation speed (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig3.png

2.4 토크 특성

MGM은 1, 2차의 회전자를 가지고 있으며, 모두 기계적 출력을 발생시키므로 1차 회전자(계자)에서 발생하는 토크와 2차 회전자(자속변조철심)에서 발생하는 토크 또한 다르며, 식 (2), (3), (4))에서 설명한 기어비에 따라서 식 (8), (9), (10)와 같이 토크의 관계가 성립된다. MGM의 토크 관계는 기존 기계식 기어 및 MG의 토크 관계와 동일하다. 기계식 기어 또는 MG는 기어비(중속비, 감속비)의 만큼 곱하거나 나누면 토크가 비교적 계산된다. MGM도 동일한 관계로 1차 회전자(계자) 극쌍수와 2차 회전자(자속변조철심)의 개수 및 고정자(전기자)의 극쌍수에 의해 기어비가 산정되며, 이에 따라 각 영역의 토크는 고정자(전기자)의 극쌍수 기준으로 증속형 또는 감속형에 따라 토크가 증폭 또는 감소되는 특성을 갖는다. 증속형 일 때, 토크 관계의 스펙트럼은 그림 4(a)와 같으며, 감속형의 경우 토크 관계의 스펙트럼은 그림 4(b)와 같다. 요구되는 부하 토크 특성에 따라서 1차 회전자(계자) 또는 2차 회전자(자속변조철심)에 연결할 수 있으며, 그림 4과 같은 토크 관계의 요소는 설계 시 필수적으로 고려해야 한다.

(8)
$T_{f_{f n}}=G_{r 2} \cdot T_{s}$

(9)
$T_{p p}=G_{r 1} \cdot T_{s}$

(10)
$T_{s}=G_{r3} \cdot T_{fm}$

그림. 4. 토크 관계 스펙트럼 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 4. Spectrum of torque (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig4.png

3. 기어 특성을 고려한 MGM의 성능 분석

3.1 분석을 위한 전제 조건 및 FEM 모델링

본 항에서는 증속형과 감속형의 비교 분석을 위한 전제 조건을 결정한다. 전제 조건은 표 1과 같으며, 타당한 비교 분석을 위해서는 사이즈 제약과 전기사양을 결정하여 동일한 조건 내 설계 모델 결정이 필요하다. 증속형과 감속형 모델은 그림 5의 MGM 설계 프로세스를 바탕으로 증속형 및 감속형 설계 모델을 도출하였으며, 그림 6과 같다. 여기에서 기초모델에 대한 내용은 생략하고, 최적화 설계 프로세스에 의하여 도출된 모델을 비교 분석하였다.

표 1. 비교 분석을 위한 전제 조건

Table 1. Prerequisites for comparative analysis

Contents

Incre. type

Decel. type

Unit

Dia. stator

200

mm

Inner Dia. stator

100

mm

Stack length

120

mm

Airgap length

0.5

mm

Poles of primary rotor

4

14

Number of secondary rotor

9

Poles of stator

14

4

Number of slots

42

Magnet usage

Same

$mm^{3}$

Rated / Maximum speel

800 / 1800

rpm

Limited voltage

722

V

Limited phase current

6

Arms

Current density

2.5

Arms/$mm^{2}$

그림. 5. MGM 설계 프로세스

Fig. 5. MGM design process

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig5.png

그림. 6. 기어 특성을 고려한 MGM 모델 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 6. MGM model considering gear characteristics (a) increase type (b) deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig6.png

3.2 회전속도/토크 관계 분석

본 항에서는 그림 6의 기어 특성을 고려한 MGM 모델에 대하여 회전속도 및 토크 관계를 분석하였다. 1차 회전자(계자), 2차 회전자(자속변조철심), 고정자(전기자)의 관계에 따라 회전속도의 관계는 식 (5), (6), (7)의 관계로 그림 7과 같으며, 토크의 관계는 식 (8), (9), (10)의 관계로 그림 8과 같다. 회전속도의 관계는 표 1의 전제 조건에 의해 정해진 결과를 바탕으로 계산된 값이며, 그림 8은 상용 Tool에 의해 FEM 해석결과를 바탕으로 얻은 결과로, 식 (8), (9), (10)와 같은 관계를 갖는다.

그림. 7. MGM 모델의 회전속도 스펙트럼 (@정격속도) (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 7. Spectrum of rotation speed of MGM model (@rated speed) (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig7.png

그림. 8. MGM 모델의 토크 스펙트럼 (@정격속도) (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 8. Spectrum of torque of MGM model (@rated speed) (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig8.png

3.3 공극자속밀도 분석

그림 9(a)는 증속형 모델의 최내각 기준 2차 공극자속밀도 FFT 분석 결과이다. 증속형의 고정자(전기자)의 극쌍수는 7이며, 자속 변조로 인해 2차 공극자속밀도 기본파가 7차 고조파 즉, 7차 기본파로 변조된 것을 확인할 수 있다. 변조된 7차 기본파는 변조된 영구자석에 의한 2차 기본파 자계화 동기화 되어 토크를 발생시킨다. 그림 9(b)는 감속형 모델의 최대각 기준 2차 공극자속밀도 FFT 분석 결과이다. 고정자(전기자)의 극쌍수는 2이며, 자속 변조로 인해 2차 공극자속밀도 기본파가 2차 고조파 즉, 2차 기본파로 변조되어, 변조된 2차 고조파와 영구자석에 의한 7차 기본파 자계와 동기화 되어 토크를 발생시킨다.

그림. 9. 2차 공극자속밀도 FFT 분석 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 9. Secondary airgap flux density FFT analysis (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig9.png

3.4 역기전력 분석 (무부하/부하)

그림 10은 무부하시 증속형 및 감속형에 대한 역기전력 파형 및 역기전력 FFT 분석 결과이다. 그림 10(b)에서 A상 무부하 역기전력 FFT 분석 기준 기본파는 증속형 약 269.0V, 감속형 약 249.9V이다. 또한 전고조파 왜율(THD)은 증속형 약 8.4%, 증속형 약 2.7%의 결과를 얻었다. 그림 11은 부하 시 증속형 및 감속형에 대한 부하 역기전력 파형 및 부하 역기전력 FFT 분석 결과이다. 그림 11(b)에서 A상 부하 역기전력 FFT 분석 기준 기본파로 증속형 약 404.7V, 감속형 약 432.0V이며, 전고조파 왜율(THD)은 증속형 약 15.7%, 증속형 약 8.5% 결과를 얻었다.

그림. 10. 무부하 역기전력 (a) A상 무부하 역기전력 파형 (b) A상 무부하 역기전력 FFT 분석

Fig. 10. Noload back EMF (a) A-phase noload Back EMF wave (b) A-phase noload Back EMF FFT Analysis

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig10.png

그림. 11. 부하 역기전력 (a) A상 부하 역기전력 파형 (b) A상 부하 역기전력 FFT 분석

Fig. 11. Load back EMF (a) A-phase load Back EMF wave (b) A-phase load Back EMF FFT Analysis

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig11.png

3.5 토크 분석 (무부하/부하)

그림 12는 증속형 및 감속형에 대한 무부하 시와 부하 시 토크 특성이다. 그림 12(a)에서는 무부하 시 코깅 토크파형이며, 증속형 및 감속형의 해석 결과는 약 3.14Nm, 약 1.06Nm이다. 그림 12(b)는 1차 회전자(계자)의 토크 파형이며, 평균 토크는 증속형 약 4.2Nm, 감속형 약 37.7Nm의 결과를 얻었다.

그림. 12. 무부하/부하 토크 특성 (a) 코깅 토크 파형 (b) 1차 회전자(계자) 토크 파형 (c) 2차 회전자(자속변조철심) 토크 파형

Fig. 12. Noload/Load torque characteristics (a) Cogging torque wave (b) Primary rotor(Field) torque wave (c) Secondary rotor(Flux modulated core) torque wave

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig12.png

그림 12(c)는 2차 회전자(자속변조철심)의 토크 파형이며, 평균 토크는 증속형 약 16.6Nm, 감속형 약 49.3Nm의 결과를 얻었다. 여기에서 기계적 출력을 내는 축은 1차 회전자(계자), 2차 회전자(자속변조철심)이므로 고정자(전기자)의 토크 분석은 생략하였으며, MGM의 기계적인 최종 출력축은 2차 회전자(자속변조철심)이기 때문에 증속형 보다 감속형이 고토크 성능을 낼 수 있는 장점을 가진다.

그림. 13. 포화자속밀도 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 13. Saturation flux density (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig13.png

3.6 포화자속밀도 및 자속선도 분석

그림 13은 부하 시 증속형 및 감속형 모델의 포화자속밀도 분포도이다. 증속형은 치에서 철심의 최대 포화자속밀도의 한계에 마진이 없는 수준이지만 감속형은 치와 요크 등 모든 부분에서 철심의 최대 포화자속밀도 한계 내에 마진이 있는 수준으로 분석된다. 그림 14는 부하 시 증속형 및 감속형 모델의 자속선도이다. 동일한 스케일로 봤을 때 증속형은 자속량이 작아서 토크에 유효한 자속선도 자체가 작다. 그러나 감속형은 자속선도의 수가 많고, 값이 크며, 토크에 유효한 자속선도가 증속형 보다 매우 많다.

그림. 14. 자속선도 (a) 증속형 (b) 감속형

Fig. 14. Flux path (a) in increase type (b) in deceleration type

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig14.png

4. PMSM 및 MGM의 성능 분석

4.1 PMSM의 FEM 모델링 및 전자계 특성

본 항에서는 표 1과 같은 동일한 전제 조건을 바탕으로 그림 15(a)의 설계 프로세스를 이용하여 PMSM을 설계하였다. 설계 프로세스 기반 기초 설계 후 장하분배법 및 최적화(민감도, 경향성 분석 등) 설계를 수행하여 그림 15(b)와 같이 FEM 모델을 도출하였으며, 자속 포화를 고려하여 그림 15(c)의 수준으로 설계하였다. 결론적으로 동일한 전제 조건을 바탕으로 최적화 설계를 완료하였으며, MGM과 비교 분석하여 고성능임을 검증한다.

그림. 15. PMSM 모델링 (a) 설계 프로세스 (b) FEM 모델 (c) 포화자속밀도

Fig. 15. PMSM modeling (a) Design process (c) Saturation flux density

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig15.png

표 2. 증속형, 감속형 및 PMSM의 형상 치수

Table 2. Shape dimension of increase type, deceleration type and PMSM

Contents

Incre. type

Decel. type

PMSM

Stator size

200mm

Dia. of primary rotor

79.4mm

87.4mm

80mm

Dia. of secondary rotor

95mm

105mm

-

Stack length

120mm

Teeth width

4mm

2.5mm

2.8mm

Teeth length

37.2mm

39.4mm

47.5mm

Back yoke thickness

14.8mm

7.6mm

12mm

Sheo thickness

0.5mm

Airgap length

0.5mm

Magnet width

4.5mm

3.5mm

4mm

표 3. 증속형, 감속형 및 PMSM의 전자기적 특성 분석 결과

Table 3. Electromagnetic characteristics analysis result of increase type, deceleration type and PMSM

Contents

Incre. type

Decel. type

PMSM

Relationship of poles

pfm<ps

pfm>ps

pfm=ps

Poles of primary rotor

4

14

4

Poles of secondary rotor

14

4

4

Number of secondary rotor

9

-

Gear ratio 1

1.29

4.5

-

Gear ratio 2

0.28

3.5

-

Gear ratio 3

4.5

1.29

-

Rated current

1.26Arms

4.22Arms

5.63Arms

Rated torque

16.6Nm

49.3Nm

40.9Nm

Rated torqueripple ratio

22%

6%

8%

THD Noload/Load

@ Rated speed

8.4%/15.7%

2.7%/8.5%

17.6%/11.5%

Series turns per phase

1512

448

392

Phase resistance 20℃

15Ω

2.7Ω

1.7Ω

Phase induced voltage fundamental wave

@ Maximum speed

684.4V

687.2V

686.8V

Noload flux linkage

@ Rated speed

0.7137wb

0.6630wb

1.7998wb

Copper loss @ Rated speed

78.4W

143.3W

161.5W

Core loss @ Rated speed

31.6W

28.8W

18.9W

Magnet eddycurrent loss

@ Rated speed

30.0W

9.9W

0.5W

Efficiency @ Rated speed

90.7%

95.7%

95%

Torque density

@ Rated speed

0.0000044

Nm/$mm^{3}$

0.000013

Nm/$mm^{3}$

0.0000108

Nm/$mm^{3}$

4.2 성능 비교 분석 결과

증속형, 감속형 및 PMSM의 형상 치수는 표 2이다. 표 1과 같은 동일한 전제조건을 기준으로 설계했으므로 고정자 사이즈 및 적층길이가 같으며, 동일한 사이즈 내 토크밀도 최적화 설계를 수행하여 각 타입에 대해 비교 분석을 수행하였다. 표 3에서는 증속형, 감속형 및 PMSM의 전자기적 특성 분석 결과이다. 첫 번째 증속형과 감속형을 비교하면 토크, 토크리플율, 전고조파 왜율, 효율이 증속형 대비 감속형이 매우 좋으며, 총 손실은 증속형 140W, 감속형 182로 증속형이 비교적 작은 수준이지만 감속형의 토크가 약 3배 높기 때문에 효율이 매우 높은 수준의 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째 감속형과 PMSM을 비교하면 토크, 토크리플율, 전고조파 왜율, 효율이 PMSM 대비 감속형이 좋으며, 총 손실은 PMSM이 180.9W로 감속형의 약 99.4% 수준으로 작은 결과를 얻었지만 토크가 높기 때문에 고효율 및 고토크밀도의 결과를 얻었다. 그림 16은 증속형, 감속형 및 PMSM의 전 속도영역에서의 효율맵이다. 효율맵에서도 알 수 있듯이 감속형이 전 속도영역에서 좋은 성능을 낼 수 있는 특성을 가진다. 따라서 전반적으로 비교 분석을 하였을 때 표 1의 사이즈, 전압 및 전류 사양 내 설계 시 증속형 및 PMSM은 감속형에 비해 성능이 좋지 않은 것으로 확인된다. 결론적으로 견인전동기의 설계에 있어서 감속형 모델이 우수한 성능을 낼 수 있다.

그림. 16. 효율맵 (a) 증속형 (b) 감속형 (c) PMSM

Fig. 16. Efficiency map (a) in increase type (b) in deceleration type (c) PMSM

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/fig16.png

5. 결 론

본 논문은 기어 특성을 고려한 전기철도용 마그네틱 기어 일체형 영구자석 전동기의 성능 분석 연구 논문이다. 기존 구동 시스템 대비 구조를 단순화하기 위하여 마그네틱 기어 일체형 영구자석 전동기를 제안하였다. 먼저 마그네틱 기어 일체형 영구자석 전동기에 대한 구조 및 기본 특성을 설명하고, 기어 특성에 따라 전제조건을 고려한 증속형 및 감속형을 설계하였다. 그리고 회전속도와 토크의 관계에 대해서 분석하고, 역기전력, 포화자속밀도 및 자속선도에 대해서 분석을 수행하였다. 결론적으로 동일한 제한사양 내 최적화 설계 시 토크, 토크리플율, 전고조파 왜율, 효율맵 등 전자기적 특성에 대한 분석을 수행하였으며, 증속형 보다 감속형이 고성능임을 검증하였다. 또한, 동일한 제한사양 내 PMSM 최적화 설계 후 MGM과 비교 분석하여 본 논문의 타당성을 검증하였다. 향후 연구로 동일한 사이즈 내 PMSM과 비교 분석하여 성능 분석을 수행하고, 다양한 극수 조합과 권선법에 대하여 연구를 수행할 예정이다.

Acknowledgements

This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded by the Korea government(ME) (No. 2020R1I1A1A01075670).

This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant funded by the Korea government(MSIT) (No. 2020R1F1A1075209).

References

1 
Geochul Jeong, Chan-Bae Park, Taechul Jeong, Ju Lee, 2015, A Study on the Characteristics Analysis According to the Permanent Magnet Segmentation Change to IPMSM for Urban Railway Vehicle, The Transactions of the Korea Institute of Electrical Engineers, Vol. 64, No. 10, pp. 1486-1492DOI
2 
Chan-Bae Park, Kwangwoo Chung, 2016, Technology Trends of Electric Machine, The Korea Institute of Power Elec- tronics, Vol. 21, No. 4, pp. 27-34Google Search
3 
D. Dorrell, M. Popescu, 2010, Comparison of permanent magnet drive motor with a cage induction motor design for a hybrid electric vehicle, Int. Power Electron. Conf., pp. 1807-1813DOI
4 
Oak Ridge National Laboratory, Mitch Olszewski, Program Manager, May 2005, Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System, Energy Efficiency and Renewable EnergyDOI
5 
Jiabin Wang, Kais Atallah, S. D. Carvley, October 2011, A Magnetic Continuously Variable Transmission Device, IEEE Trans., Vol. 47, No. 10, pp. 2815-2818DOI
6 
Kohei Aiso, Kan Akatsu, , A Novel Reluctance Magnetic Gear for High Speed Motor, IEEE.DOI
7 
Laxman Shah, Andrew Cruden, Barry W. Williams, 2010, A Variable Speed Magnetic Gear Box Using Contra-Rotating, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 2, pp. 431-438DOI

저자소개

Geochul Jeong
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/au1.png

He worked as a researcher at the Korea Railroad Research Institute in 2012 to 2013.

He received M.S degree in electrical engi- neering from Hanyang University, Seoul, Korea in 2015.

He received Ph.D. in electrical engi- neering from Hanyang University, Seoul, Korea in 2020.

He is currently a research professor of railway vehicle system engineering at Korea National University of Transportation since 2020.

Dong-Hoon Jung
../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.3.535/au2.png

He received M.S degree in electrical engi- neering from Hanyang University, Seoul, Korea in 2016.

He received Ph.D. in electrical engi- neering from Hanyang University, Seoul, Korea in 2020.

He is currently a assistant professor of school of smart mobility at Halla University since 2020.