본 논문은 하중 분리 정리를 이용한 슬롯 집중형 SPM 동기전동기의 새로운 최적 설계 방식을 제안한다. 제안된 방법에서는 동력을 구성하는 전기적 및 자기적 하중을 전동기의 네 가지 기하학적 변수(극쌍 수, 공극 지름, 적층 길이, PM 두께)로 표현하고, 이 네 변수에 대해 임의로 주어진 값이 있을 때 요구되는 동력을 만족하는 전동기의 전체 형상을 결정할 수 있음을 보인다. 특히, 슬롯 집중형 SPM 동기전동기의 치와 요크에서의 최대 자속을 추정하기 위해 새로운 해석식이 유도되고 적용된다. 사례 연구로서, 제안된 방법을 사용하여 네 가지 기하학적 변수들을 변화시키면서 다수의 6극, 9슬롯, 5 kW 표면 실장 영구자석 동기전동기를 설계하였다. 그중 최적 모델은 주어진 제약조건(효율 및 역률)을 만족시키면서 설계 목표(전동기 체적 및 PM 사용량 최소화)를 달성함으로써 선정된다. 제안된 방법의 타당성은 선정된 모델에 대한 유한요소 해석을 통해 검증된다.

본 논문은 적재 분리(loading separation) 기법에 기반한 SPMSM의 새로운 최적 설계 방법을 제시한다. SPMSM의 전체 형상과 권선을 극쌍 수, 에어갭 직경, 적층 길이, 자석 두께의 네 가지 설계 변수(p, Dg, Lstk, gm)만으로도 결정할 수 있음을 확인하였다. 제안하는 방법은 설계된 모터가 정격 출력 전력, PM(영구자석) 탈자 방지, 최대 속도 운전이라는 요구 성능을 만족하도록 보장한다. 제안된 방법을 사용하여 정격 출력 5 kW급의 다양한 설계 변수 조합을 갖는 다수의 SPMSM을 설계하고, 목적함수를 최대화하는 최적 모델을 도출한 뒤, 이를 유한요소해석(FEA)으로 최종 검증하였다.

중전압 직류(DC) 컨버터 스테이션의 현재(전류) 센서는 기본적으로 정확도와 선형성을 갖추어야 하며, 동시에 스테이션 내의 가혹한 전자기 환경에 대한 내성이 요구된다. 본 논문에서는 MVDC급 전류 센서의 자기장 내성을 만족시키기 위해 차폐 구조와 차폐 재료를 분석하였다. 외부 자기장에 대한 차폐 특성을 평가하기 위해 KS C 9610-4-8, 9에 명시된 시험 조건을 참조하였다. 전류 측정에 영향을 줄 수 있는 센서 부품 내부의 자기장 세기와 자기 플럭스 밀도 분포는 3차원 유한요소해석을 통해 계산하였다. 분석 결과는 플럭스게이트(fluxgate) 타입 전류 센서의 차폐 설계에 유용한 참고 데이터로 활용될 것으로 기대된다.

본 논문은 MW급 직접구동(DD) 풍력발전기 적용을 위한 표면형 PM 베리어 제너레이터(surface PM vernier generator, SPMVG)의 설계 및 분석을 제시한다. SPMVG는 더 높은 토크 밀도의 장점을 갖지만, 특히 전기적 정격부하가 증가하는 고출력 정격에서 역률이 악화되며, 자심의 자기 포화 및 PM 탈자(demagnetization)와 관련된 몇 가지 심각한 우려 사항이 존재한다. 이러한 문제는 PM 치수, 적용 전기적 부하(전기적 로딩), 슬롯 형상 및 슬롯–폴(slot–pole) 조합의 선택과 같은 기계 설계 파라미터들과 직접적으로 연관된다. PM 두께 및 몇 가지 다른 설계 변수에 따라, 각 슬롯–폴 조합은 특성 전기적 부하(specific electrical loading)에 대한 최적값을 갖는 것으로 규명된다. 특성 전기적 부하의 최적값을 사용하면 기계가 포화되지 않으면서 성능이 최적화되고 역률이 불필요하게 저하되지 않는다. 또한 특정 설계 제약 하에서, 관련된 여러 설계 변수들의 적절한 선택을 보장하는 설계 기준이 개발된다. 개발된 설계 기준을 사용하여 슬롯–폴 조합의 변화에 따른 다양한 전자기적 성능의 경향을 논의한다. 도출된 경향은 각 슬롯–폴 조합이 일정한 토크 밀도와 역률을 제공함을 명확히 보여주며, 따라서 요구되는 토크 밀도 및/또는 특정 역률 한계의 관점에서 슬롯–폴 조합을 선택하는 데 지침이 된다. 마지막으로, 개발된 설계 접근을 활용하여 정격 출력 15 MW의 SPMVG를 설계하였으며, 설계 목표는 체적당 토크를 최대화하고 역률 한계를 0.4로 설정하는 것이다. 또한 설계된 SPMVG의 성능과 관련된 다양한 측면을 기존의 PM DD 15 MW 발전기와 종합적으로 비교한다.

본 논문은 하중 분리 정리를 이용한 슬롯 집중형 SPM 동기전동기의 새로운 최적 설계 방식을 제안한다. 제안된 방법에서는 동력을 구성하는 전기적 및 자기적 하중을 전동기의 네 가지 기하학적 변수(극쌍 수, 공극 지름, 적층 길이, PM 두께)로 표현하고, 이 네 변수에 대해 임의로 주어진 값이 있을 때 요구되는 동력을 만족하는 전동기의 전체 형상을 결정할 수 있음을 보인다. 특히, 슬롯 집중형 SPM 동기전동기의 치와 요크에서의 최대 자속을 추정하기 위해 새로운 해석식이 유도되고 적용된다. 사례 연구로서, 제안된 방법을 사용하여 네 가지 기하학적 변수들을 변화시키면서 다수의 6극, 9슬롯, 5 kW 표면 실장 영구자석 동기전동기를 설계하였다. 그중 최적 모델은 주어진 제약조건(효율 및 역률)을 만족시키면서 설계 목표(전동기 체적 및 PM 사용량 최소화)를 달성함으로써 선정된다. 제안된 방법의 타당성은 선정된 모델에 대한 유한요소 해석을 통해 검증된다.

본 논문은 적재 분리(loading separation) 기법에 기반한 SPMSM의 새로운 최적 설계 방법을 제시한다. SPMSM의 전체 형상과 권선을 극쌍 수, 에어갭 직경, 적층 길이, 자석 두께의 네 가지 설계 변수(p, Dg, Lstk, gm)만으로도 결정할 수 있음을 확인하였다. 제안하는 방법은 설계된 모터가 정격 출력 전력, PM(영구자석) 탈자 방지, 최대 속도 운전이라는 요구 성능을 만족하도록 보장한다. 제안된 방법을 사용하여 정격 출력 5 kW급의 다양한 설계 변수 조합을 갖는 다수의 SPMSM을 설계하고, 목적함수를 최대화하는 최적 모델을 도출한 뒤, 이를 유한요소해석(FEA)으로 최종 검증하였다.

중전압 직류(DC) 컨버터 스테이션의 현재(전류) 센서는 기본적으로 정확도와 선형성을 갖추어야 하며, 동시에 스테이션 내의 가혹한 전자기 환경에 대한 내성이 요구된다. 본 논문에서는 MVDC급 전류 센서의 자기장 내성을 만족시키기 위해 차폐 구조와 차폐 재료를 분석하였다. 외부 자기장에 대한 차폐 특성을 평가하기 위해 KS C 9610-4-8, 9에 명시된 시험 조건을 참조하였다. 전류 측정에 영향을 줄 수 있는 센서 부품 내부의 자기장 세기와 자기 플럭스 밀도 분포는 3차원 유한요소해석을 통해 계산하였다. 분석 결과는 플럭스게이트(fluxgate) 타입 전류 센서의 차폐 설계에 유용한 참고 데이터로 활용될 것으로 기대된다.

본 논문은 MW급 직접구동(DD) 풍력발전기 적용을 위한 표면형 PM 베리어 제너레이터(surface PM vernier generator, SPMVG)의 설계 및 분석을 제시한다. SPMVG는 더 높은 토크 밀도의 장점을 갖지만, 특히 전기적 정격부하가 증가하는 고출력 정격에서 역률이 악화되며, 자심의 자기 포화 및 PM 탈자(demagnetization)와 관련된 몇 가지 심각한 우려 사항이 존재한다. 이러한 문제는 PM 치수, 적용 전기적 부하(전기적 로딩), 슬롯 형상 및 슬롯–폴(slot–pole) 조합의 선택과 같은 기계 설계 파라미터들과 직접적으로 연관된다. PM 두께 및 몇 가지 다른 설계 변수에 따라, 각 슬롯–폴 조합은 특성 전기적 부하(specific electrical loading)에 대한 최적값을 갖는 것으로 규명된다. 특성 전기적 부하의 최적값을 사용하면 기계가 포화되지 않으면서 성능이 최적화되고 역률이 불필요하게 저하되지 않는다. 또한 특정 설계 제약 하에서, 관련된 여러 설계 변수들의 적절한 선택을 보장하는 설계 기준이 개발된다. 개발된 설계 기준을 사용하여 슬롯–폴 조합의 변화에 따른 다양한 전자기적 성능의 경향을 논의한다. 도출된 경향은 각 슬롯–폴 조합이 일정한 토크 밀도와 역률을 제공함을 명확히 보여주며, 따라서 요구되는 토크 밀도 및/또는 특정 역률 한계의 관점에서 슬롯–폴 조합을 선택하는 데 지침이 된다. 마지막으로, 개발된 설계 접근을 활용하여 정격 출력 15 MW의 SPMVG를 설계하였으며, 설계 목표는 체적당 토크를 최대화하고 역률 한계를 0.4로 설정하는 것이다. 또한 설계된 SPMVG의 성능과 관련된 다양한 측면을 기존의 PM DD 15 MW 발전기와 종합적으로 비교한다.

본 논문에서는 스포크 영구자석(PM) 기기의 철편으로 이루어진 스포크의 스칼라 자기 퍼텐셜에 나타나는 진동 현상을 분석하고, 특히 베르니어(vernier) 및 플럭스 스위칭 PM(FSPM) 기기와 같은 플럭스 변조기에서, 이 진동이 공극 플럭스와 역기전력(EMF)에 미치는 영향을 심층적으로 조사한다. 이를 위해 일반화된 스포크 PM 구조에 대해 스칼라 자기 퍼텐셜의 공식을 유도한다. 그 결과, 진동 현상은 슬롯/극 조합에 의존하며, 이에 따라 베르니어 및 FSPM 기기와 같은 기기 유형에 따라 서로 다른 거동이 나타남을 확인한다. 다음으로, 각 코어의 퍼텐셜을 이산 함수로서 정의한 후, 푸리에 급수 전개를 통해 공극에서 회전하면서 진동하는 공극 자기기자력(MMF)의 연속 함수로 발전시킨다. 개발된 MMF와 공극의 비투자율(퍼미언스)을 활용하여 공극 플럭스 밀도 및 역 EMF에 대한 방정식을 도출하고, 이를 통해 스포크 PM 기기의 서로 다른 유형들에 대해 잠재력 진동으로 인한 변조 플럭스 및 역 EMF의 억제 정도를 정확하게 추정할 수 있게 한다. 검증을 위해, PM 베르니어 및 FSPM 기기를 포함한 다양한 스포크 PM 구조에 대해 여러 가지 자기 특성을 정량적으로 고찰하고, 유한요소법(FEM) 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 이를 확인한다.

이 논문은 전기자동차(EV)와 같은 가변 속도 운전 시스템을 위한 표면 영구자석 동기전동기(Surface permanent magnet synchronous motors)의 체계적 설계 방법을 제안한다. 이 방법은 전동기의 특성을 결정하는 다양한 전자기 방정식을 사용한다. 제안된 설계 방법에서는 동력 요구사항을 만족시키기 위해 전기적 적재와 자속의 정확한 값을 네 가지 기하학적 설계 변수를 통해 결정한다. 이로부터 얻은 두 가지 적재 조건을 바탕으로 상세한 전동기 형상을 설계하고 권선 사양을 결정한다. 사례 연구로서, 주어진 네 가지 변수의 범위 내에서 제안된 방법을 사용하여 EV용 다양한 4 kW급 PMSM을 설계한다. 설계된 여러 전동기 후보 중에서 체적이 가장 작은 모델을 최적 모델로 선택한다. 마지막으로, 선택된 4 kW급 SPM 동기전동기에 대해 제안된 해석 결과와 유한요소(FE) 해석 결과를 비교함으로써 제안 방법의 타당성을 검증한다.

본 논문은 MW급 직접 구동(DD) 풍력터빈 응용의 잠재적 후보로서 외전극 스포크형 PM 베르니어(ST-PMV) 발전기의 설계 및 해석을 제시한다. 자기적 잠재력의 변동(oscillations) 문제에도 불구하고, ST-PMV는 특히 역률(power factor) 측면에서 일반적인 표면 장착형 PM 베르니어 기계에 비해 일정한 장점을 가진다. MW급 정격에서는 역률 저하, 코어의 자속 포화(magnetic saturation), 그리고 영구자석(PM) 탈자(demagnetization) 문제와 관련하여 중대한 우려가 존재한다. 따라서 최적 성능을 얻기 위해, 슬롯 형상의 선택과 연계된 PM 치수, 특정 전기적 부하(specific electric loading), 슬롯-폴 조합(slot-pole combination) 등 다양한 설계 측면을 논의한다. ST-PMV의 관련 설계 변수들을 적절히 선정하기 위해, 특정 설계 가정에 기반한 설계 기준(design criteria)을 개발한다. 또한 코어 부품의 적절한 치수 결정을 위해 자기적 잠재력 변동 문제를 정확히 고려하는 것이 중요함을 지적한다. 마지막으로, 개발된 설계 절차를 사용하여 5기의 15-MW ST-PMV 발전기를 설계하고, 전자기적 성능을 15-MW의 기존 DD PM 발전기와 비교 분석한다.

DC 전력 그리드를 구축하기 위해 중전압 DC(MVDC) 컨버터 스테이션에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 컨버터 스테이션의 안정적인 운전을 위해서는 센서 기술이 필수이며, 컨버터 스테이션 내 전기 장치의 전압과 전류를 정밀하게 측정하고 분석할 수 있어야 한다. 본 논문은 MVDC 전력 그리드에서 DC 전류를 측정하기 위한 플럭스게이트형 전류 센서에 관한 것이다. 3차원 유한요소해석을 적용하여 여자 권선의 권선 수에 따른 플럭스게이트형 전류 센서의 선형성을 분석하였다. 여기 권선의 권선 수는 주(1차) 전류의 소폭 변화가 있더라도 링 코어가 높은 투자율로 동작할 수 있을 만큼 충분해야 한다.

본 연구는 저가 페라이트 자석을 사용하는 후속극(consequent-pole, CP) 버니어 모터에 관한 것이다. CP 영구자석 버니어 기계(CP-PMVM)의 자기적 거동을 정량적으로 규명하기 위해, 각각 공극에서의 주(主) 및 변조(modulation) 자속 밀도를 추정하는 두 가지 새로운 자기 등가 모델을 제안한다. 제안된 모델을 사용하여, CP 구조가 유효 공극 길이를 실질적으로 감소시킨다는 점이 밝혀졌으며, 그 결과 반 수의 자석을 갖는 CP-PMVM은 일반적인 표면형 PM 버니어 기계(SPMVM)보다 훨씬 높은 변조 자속 밀도를 나타낸다. 따라서 CP-PMVM은 두꺼운 페라이트 자석을 사용하더라도 버니어 효과를 높은 수준으로 유지할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 SPMVM이 제공하는 값보다 더 큰 역기전력(EMF)을 생성하는 것으로 이어진다. 또한, 두꺼운 자석 두께로 인한 공극 길이의 큰 변동은 릴럭턴스 토크에 상당한 이점을 초래한다. 시제품으로 설계된 CP 페라이트 PMVM에 대해, 제안된 방법 및 유한요소(FE) 방법을 사용하여 주 및 변조 자속 밀도, 역기전력, dq 인덕턴스, 토크와 같은 전자기적 특성을 조사하였다. 아울러 탈자(demagnetization) 분석을 통해, 제안된 CP-PMVM이 확실한 반(反)탈자 능력을 가진다는 것이 입증되었으며, 페라이트 자석을 사용하는 SPMVM은 자성을 상실한다. 분석 결과로부터, 자석 체적이 더 적고 저가 페라이트 자석을 사용하는 제안된 기계가, 그 SPM 버니어 대응 기계에 비해 더 큰 토크를 갖는다는 점이 확인되었다. 마지막으로, 해석적 및 수치적 분석을 검증하기 위해 실험 결과를 제시한다.