최근 변전소 주변으로 도시 중심부가 개발되면서 소음에 대한 민원이 증가하고 있다. 션트 리액터는 변전소에서 발생하는 소음의 주요 원인이다. 션트 리액터의 소음을 줄이기 위해서는 압축 분포를 최적화하기 위한 자기 회로 및 구조 설계에 관한 연구가 중요하다. 본 논문에서는 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 자기 소자의 자기선 분포와 압축 분포를 계산하고, 소음 측정을 통해 저감 효과를 분석하였다. 또한 자기 소자로부터 발생하는 자기구동력으로 인한 진동에 자기선 제어 패널을 적용하여 자기선 분포를 개선하는 연구를 도입하였으며, 압축 구조의 형상을 변경함으로써 소음을 감소시켰다.

매입형 영구자석 전동기의 회전자에서는 영구자석에서 발생하는 자속 중 고정자의 코일을 쇄교하지 못하는 누설자속이 발생한다. 매입형 영구자석 전동기에서 발생하는 회전자 누설자속 중 rib을 경유하는 2차원 성분은 2차원 유한요소해석을 통해 고려될 수 있다. 하지만 매입형 영구자석 전동기의 회전자 누설자속에는 2차원 유한요소해석으로는 고려할 수 없는 3차원 경로의 성분이 존재한다. 이 3차원 회전자 누설자속은 영구자석으로 분리된 회전자 코어 영역들 사이에서 발생하며, 이의 경로는 회전자 코어의 축방향 상하단에 위치한 비자성체인 공기를 경유하는 3차원이다. 본 연구에서는 매입형 영구자석 전동기에서 3차원 누설자속이 발생하는 원인을 분석하고, 이를 정확하게 고려할 수 있는 axial air dummy가 추가된 3차원 유한요소 해석모델을 제안하였다. 또한, axial air dummy의 높이에 따라 3차원 누설자속의 계산결과가 어떻게 영향을 받는지를 분석하였다. 마지막으로 특정사양을 가지는 매입형 영구자석 전동기의 2차원 유한요소해석과 3차원 유한요소해석의 비교를 통해 3차원 회전자 누설자속이 무부하 역기전력과 코깅토크에 미치는 영향을 확인하였다.

최근 변전소 주변으로 도시 중심부가 개발되면서 소음에 대한 민원이 증가하고 있다. 션트 리액터는 변전소에서 발생하는 소음의 주요 원인이다. 션트 리액터의 소음을 줄이기 위해서는 압축 분포를 최적화하기 위한 자기 회로 및 구조 설계에 관한 연구가 중요하다. 본 논문에서는 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 자기 소자의 자기선 분포와 압축 분포를 계산하고, 소음 측정을 통해 저감 효과를 분석하였다. 또한 자기 소자로부터 발생하는 자기구동력으로 인한 진동에 자기선 제어 패널을 적용하여 자기선 분포를 개선하는 연구를 도입하였으며, 압축 구조의 형상을 변경함으로써 소음을 감소시켰다.

매입형 영구자석 전동기의 회전자에서는 영구자석에서 발생하는 자속 중 고정자의 코일을 쇄교하지 못하는 누설자속이 발생한다. 매입형 영구자석 전동기에서 발생하는 회전자 누설자속 중 rib을 경유하는 2차원 성분은 2차원 유한요소해석을 통해 고려될 수 있다. 하지만 매입형 영구자석 전동기의 회전자 누설자속에는 2차원 유한요소해석으로는 고려할 수 없는 3차원 경로의 성분이 존재한다. 이 3차원 회전자 누설자속은 영구자석으로 분리된 회전자 코어 영역들 사이에서 발생하며, 이의 경로는 회전자 코어의 축방향 상하단에 위치한 비자성체인 공기를 경유하는 3차원이다. 본 연구에서는 매입형 영구자석 전동기에서 3차원 누설자속이 발생하는 원인을 분석하고, 이를 정확하게 고려할 수 있는 axial air dummy가 추가된 3차원 유한요소 해석모델을 제안하였다. 또한, axial air dummy의 높이에 따라 3차원 누설자속의 계산결과가 어떻게 영향을 받는지를 분석하였다. 마지막으로 특정사양을 가지는 매입형 영구자석 전동기의 2차원 유한요소해석과 3차원 유한요소해석의 비교를 통해 3차원 회전자 누설자속이 무부하 역기전력과 코깅토크에 미치는 영향을 확인하였다.

본 논문은 대출력 직접구동(Direct-drive) 응용을 위한 축방향 플럭스 영구자석 동기기(axial-flux permanent-magnet synchronous machine)의 설계 과정과 상세한 다물리(멀티피직스) 분석을 제시한다. 본 논문에서의 기기는 이중 고정자-내측 로터(dual-stator inner-rotor) 구조를 가지며, 정격 130 kW, 26 r/min이다. 먼저 분할(segmented) 및 프리권선(prewound) 치를 조립하여 구성한 고정자 코어(stator core)를 제안하고, 이를 대출력 축방향 플럭스 영구자석 기기(AFPMs)에 적용한다. 이 방법을 통해 대구경 AFPM의 제조에서 발생하는 문제들을 해결할 수 있다. 또한 열을 전달하기 위한 새로운 수냉(water-cooling) 시스템을 기기 내에 내장한다. 더불어 조립 절차 및 제작 공정도 제안하며, 로터 디스크의 변형과 응력을 감소시키기 위해 새로운 분산(distributed) 팔로어 베어링(follower bearing)을 사용한다. 마지막으로 다물리 설계를 기반으로 시제품 기기를 제작하고 시험한다. 실험 결과는 유한요소해석(finite-element analysis)과 잘 일치한다.

이 논문은 대용량 전기직접구동(direct-drive) 응용을 위한 축방향 플럭스 영구자석 동기전동기(axial flux permanent magnet synchronous machine)의 설계 과정과 상세한 다물리(multi-physics) 분석을 제시한다. 본 논문에서 다루는 기기는 26 rpm에서 정격 130 kW이며, 이중 고정자(dual-stator) 내륜형(inner-rotor) 구조를 갖는다. 먼저, 분할(segmented)된 조각과 미리 권선(pre-wound)된 치(teeth)를 조립하여 구성되는 고정자 코어(stator core)를 제안하고 이를 대용량 축방향 플럭스 PM( AFPM ) 기기에 적용한다. 이 방법을 통해 대구경 AFPM 기기의 제작과 관련된 문제를 해결할 수 있다. 또한 열을 전달하기 위해 기기 내부에 새로운 수랭(water-cooling) 시스템을 내장한다. 아울러 조립 절차와 제작 공정 또한 제안한다. 마지막으로, 다물리 설계를 기반으로 시제품 기기를 제작하고 시험한다. 실험 결과는 유한요소해석(finite-element analysis, FEA)과 잘 일치한다.

본 논문은 12단 제어를 고려한 무정류자 직류모터(BLDCM)의 원가 절감 설계를 제시한다. 12단 제어는 기존의 6단 제어를 활용하는 경우에 비해 모터의 출력을 향상시킬 수 있다. 또한 반응표면방법(RSM: response surface method)을 이용하여 BLDCM을 최적화함으로써 회전자, 고정자 및 자석의 크기를 감소시켜 중량을 효과적으로 줄일 수 있다. BLDCM의 체적은 약 45% 감소하였으며, 기본 성능 요구사항을 만족하는 동시에 효율을 개선하였다. 원 설계 및 최적화된 모터를 제작하여 시험하였다. 실험 결과는 출력 전력과 효율의 관점에서 비교하였다.

본 논문은 도시 철도 전력 변전소를 위한 병렬 다중 펄스 사이리스터 듀얼 컨버터에서 에너지 소비 및 재생 에너지를 바탕으로 한 최적 초기 점호각 제어를 제시한다. 사이리스터 듀얼 컨버터의 단락을 방지하기 위해 모드 전환 시 영전류 불연속 구간(ZCDS)을 유지하기 위한 히스테리시스 밴드가 필수적이다. ZCDS에서 순방향 또는 역방향 모드로 변환할 때, 최적 초기 점호각을 선택하면 과도한 전압 상승(overshoot)과 느린 응답 없이 DC 트롤리 전압을 안정화할 수 있다. 그러나 최적 초기 점호각은 각 컨버터의 선로 임피던스에 따라 달라진다. 따라서 DC 트롤리 전압의 overshoot 및 느린 응답을 제거하기 위해 최적 초기 점호각을 추종하는 제어 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션과 실험 결과, 제안된 알고리즘은 최적 점호각을 추종함으로써 과도 상태에서 가장 빠른 DC 전압 제어 성능을 제공함을 보여준다.

축 방향 플럭스 영구자석 발전기(Axial flux permanent magnet generator, AFPMG)는 하나 또는 두 개의 고정자 권선을 가질 수 있으며, 이는 영구자석(PM)이 장착된 로터 디스크가 두 개의 평행한 고정자 디스크 사이에 끼워질 수 있음을 의미한다. 본 논문은 무기어 풍력 에너지 시스템을 위한 AFPMG의 개발을 다룬다. 이는 축 방향 공극 방식의 영구자석 발전기가 매우 높은 토크의 발전기 응용 가능성을 제공한다. 3kW, 240rpm AFPMG의 설계, 제작 및 시험 결과를 제시한다. 전자기 해석은 3차원 유한요소해석(3D FEM) 방법으로 수행하였으며, 열장(thermal field) 해석은 전산유체역학(CFD) 방법으로 계산하였다. 해석 기반 설계 접근법에 따라 3kW 프로토타입 발전기를 제작하였다. 이어서 해석 모델로부터 예측된 성능 값들을 실험으로 측정한 값들과 비교하여, 해석 기반 설계 접근법의 유효성을 평가하였다.