구리 회전자 바 재료를 사용한 손실 조사를 위한 0.5 HP 회전 기계의 모델링 및 시뮬레이션

본 소개 논문은 [구리 회전자 바 재료를 사용한 손실 조사를 위한 0.5 HP 회전 기계의 모델링 및 시뮬레이션] 논문을 기반으로 작성되었으며, [출판사: Australian Journal of Basic and Applied Sciences]에 게재되었습니다.

Fig. 3: 2D view of Stator & Stator Bars, Rotor & Rotor Bars and Air Gap.
Fig. 3: 2D view of Stator & Stator Bars, Rotor & Rotor Bars and Air Gap.

1. 개요:

  • 제목: 구리 회전자 바 재료를 사용한 손실 조사를 위한 0.5 HP 회전 기계의 모델링 및 시뮬레이션
  • 저자: I. Daut, N. Gomesh, Y. Yanawati, M. Irwanto, S. Nor Shafiqin, Y.M. Irwan
  • 발행 연도: 2011년
  • 발행 저널/학회: Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(12): 179-188, 2011
  • 키워드: 유도 전동기, 시뮬레이션, 손실, 효율, 구리, 알루미늄

2. 초록:

본 논문에서는 0.5HP 3상 AC 유도 전동기를 조사하고 분석했습니다. 본 프로젝트 전반에 걸쳐 AutoCAD 소프트웨어로 유도 전동기를 설계한 다음 FEM 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 기존에 사용되던 다른 회전자 바와 비교했습니다. 비교의 첫 번째 부분은 동일한 0.5HP 고정자 슬롯 설계 및 권선 구성에 대해 알루미늄 회전자 바와 구리 회전자 바의 유도 전동기를 모델링하여 FEM 시뮬레이션으로 수행되었습니다. 시뮬레이션은 전력 손실, 자속 밀도, 자계 강도, 와전류 밀도, 토크 대 속도, 토크 대 슬립, 전력 손실 대 속도 및 전력 손실 대 슬립 측면에서 비교되었습니다. 소프트웨어 시뮬레이션의 전체 실험 결과, 알루미늄 및 구리 회전자 바 분석 간의 자속 밀도(B)에서 높은 전기 전도율이 재료의 낮은 저항률을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 이는 구리 회전자 바가 임피던스가 낮아 손실이 적다는 것을 의미합니다. 전체 분석은 구리 재료 회전자 바의 사용에 대한 몇 가지 좋은 이점을 보여줍니다.

3. 서론:

말레이시아 기업의 산업 에너지 사용 분석에 따르면 전기 모터가 가장 많은 에너지(47%)를 사용한 것으로 나타났습니다(Saidur, R., 2009). 산업 현장의 대부분의 모터는 유도 전동기입니다. 모터의 출력 전력을 감지하기 어려운 점을 고려할 때, 기존 유도 전동기를 현장에서 테스트하려는 데에는 여러 가지 이유가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 구형 또는 마모된 모터를 새 것으로 교체하거나 재권선 후 효율을 확인하는 것 등이 있습니다. 따라서 확립된 절차 중 하나는 손실을 측정하고 입력에서 빼서 출력을 구하는 방식으로 효율을 계산하는 것입니다(Chapman, S.J., 2005). 유도 전동기는 광범위한 응용 분야에서 중요한 전기 기계 부류입니다. 오늘날 사용되는 산업용 모터의 85% 이상이 실제로 유도 전동기입니다(Theodore, W., 2006).

AC 유도 전동기의 손실은 고정자 동손, 회전자 동손, 철손, 표유 부하 손실, 그리고 마찰 및 풍손의 다섯 가지 범주로 나눌 수 있습니다(Turner, D.R., 1991). 고정자 및 회전자 동손이 가장 큰 비중을 차지합니다. 철손은 주파수에 따라 달라지며 효율에 영향을 미칠 수 있습니다.

본 연구의 목적은 구리와 알루미늄의 서로 다른 회전자 바 재료를 사용하여 AC 유도 전동기의 손실을 조사하고 두 회전자 재료에서 유도 전동기의 효율과 성능을 얻는 것입니다. 본 연구의 목표는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

  1. 알루미늄 및 구리 회전자 바에 대해 Opera 2D 소프트웨어 버전 12.0을 사용하여 3상 AC 유도 전동기의 설계 및 시뮬레이션.
  2. 구리 회전자 바를 가진 회전자를 제작하고 0.5HP 유도 전동기의 기존 알루미늄 회전자 바와 비교.
  3. 효율, 역률, 손실 감소 잠재력, 그리고 금전 및 에너지 절약 측면에서의 경제성 분석 측면에서 구리 회전자 바의 성능 조사.
  4. 두 회전자에서 고정자 동손, 회전자 손실, 철손, 마찰 및 풍손 손실, 그리고 표유 부하 손실과 같은 손실 매개변수를 기반으로 0.5HP AC 유도 전동기의 효율 조사.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

유도 전동기의 효율은 에너지 절약에 매우 중요합니다. 고정자 동손, 회전자 손실, 철손, 마찰 및 풍손 손실, 그리고 표유 부하 손실과 같은 모터 손실은 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 손실을 줄이면 모터 효율을 높이고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 특히 소형 모터의 경우 전기 기계의 효율을 높이는 것은 생산에 있어 중요한 과제입니다.

기존 연구 현황:

전기 기계의 철손 계산은 일반적으로 기계에 사용된 철심 재료의 실험적 특성을 기반으로 합니다. 전 세계적으로 서로 다른 표준이 사용되기 때문에 제조업체의 효율 수치를 비교하기 어렵습니다. 에너지 효율적인 전기 모터는 비용 효율적인 전기 절약을 위한 가장 큰 기회 중 하나를 제공합니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 구리와 알루미늄 회전자 바를 사용한 AC 유도 전동기의 손실을 조사하고 두 재료 간의 효율 및 성능 차이를 결정하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구는 시뮬레이션 기반 비교 연구를 포함합니다. 0.5HP 3상 AC 유도 전동기를 설계하고 회전자 바 재료(알루미늄 및 구리)만 다른 두 개의 가상 모델을 FEM 소프트웨어로 생성합니다. 두 모델 모두에 대해 정상 상태 AC 분석을 수행합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 시뮬레이션 기반의 비교 연구를 채택합니다. 0.5HP 3상 AC 유도 전동기를 설계하고, 회전자 바 재료(알루미늄과 구리)만 다른 두 개의 가상 모델을 FEM 소프트웨어로 생성합니다. 두 모델 모두에 대해 정상 상태 AC 해석을 수행합니다.

자료 수집 및 분석 방법:

FEM 소프트웨어(Opera 2D 버전 12.0)를 사용하여 두 회전자 바 재료를 가진 유도 전동기의 전자기적 거동을 시뮬레이션합니다. 소프트웨어는 자위선(POT), 와전류 밀도(J²), 자속 밀도(Bmod), 자계 강도(Hmod), 토크, 속도, 슬립 및 전력 손실에 대한 데이터를 계산하고 제공합니다. 그런 다음 시뮬레이션 데이터를 내보내어 분석하여 알루미늄 및 구리 회전자 바를 사용한 모터의 성능을 비교합니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 0.5 HP, 415V, 1.02A, 역률 0.74, 동기 속도(n<0xE2><0x82><0x98>) 1500rpm, 공급 주파수 50Hz, 4극 유도 전동기에 초점을 맞춥니다. 고정자는 36개의 슬롯을 가지고 회전자는 24개의 슬롯을 가집니다. 본 연구는 회전자 바 재료(알루미늄 대 구리)가 다양한 성능 매개변수 및 손실에 미치는 영향을 조사합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 자속 밀도(B): 구리의 높은 전기 전도율(3.77 × 10⁷ S.m⁻¹인 알루미늄에 비해 5.8× 10⁷ Sm⁻¹)로 인해 구리 회전자 바는 알루미늄 회전자 바(1.36 Tesla)에 비해 낮은 자속 밀도(1.34 Tesla)를 나타내어 임피던스가 낮고 손실이 적음을 시사합니다.
  • 자위선(POT): 구리 회전자 바에서 자극 분포가 더 균일하여 히스테리시스 손실이 적을 가능성이 있음을 나타냅니다. 구리 회전자 바는 또한 알루미늄에 비해 자속 누설이 적습니다.
  • 와전류 밀도: 50Hz에서 구리 회전자 바는 알루미늄 회전자 바보다 낮은 와전류 밀도를 가지므로 손실이 감소합니다.
  • 토크 대 속도: 알루미늄의 기동 토크는 2.09 N-m이고 구리의 기동 토크는 1.63 N-m입니다. 최대 토크는 두 재료 모두 4.8 N-m이지만 구리 회전자 바의 토크가 알루미늄 회전자 바의 토크보다 더 빠르게 감소합니다.
  • 토크 대 슬립: 슬립이 0.05일 때 구리 회전자 바(2.5 N-m)의 토크가 알루미늄 회전자 바(1.7 N-m)의 토크보다 높습니다.
  • 전력 손실 대 슬립: 슬립이 0.05일 때 알루미늄의 전력 손실은 5.45W이고 구리의 전력 손실은 7.72W입니다. 그러나 슬립이 0.2를 넘어서면 알루미늄 손실은 급격히 증가하는 반면 구리 손실은 비교적 선형적으로 꾸준히 증가합니다.
  • 전력 손실 대 속도: 기동 조건(0 rpm)에서 구리 회전자 바는 알루미늄 회전자 바(157.23W)보다 낮은 전력 손실(130.44W)을 가집니다. 손실은 속도가 증가함에 따라 감소하며, 1200 rpm 이후에는 구리 손실이 알루미늄 손실보다 더 선형적이고 빠르게 감소합니다.
Fig. 1: Induction Motor Stator and Rotor Design Specifications.
Fig. 1: Induction Motor Stator and Rotor Design Specifications.
Fig. 2: Rotor Bar type of Half Rotor Slot for Opera 2D.
Fig. 2: Rotor Bar type of Half Rotor Slot for Opera 2D.
Fig. 4: B-H Curve of the Copper and Aluminium Materials.
Fig. 4: B-H Curve of the Copper and Aluminium Materials.
Fig. 6: Magnetic Line Potential based at 50 Hz.
Fig. 6: Magnetic Line Potential based at 50 Hz.
Fig. 9: Magnetic Flux Density of Rotor Bar at 50 Hz.
Fig. 9: Magnetic Flux Density of Rotor Bar at 50 Hz.
Table 3: Data from Steady State AC Analysis.
Table 3: Data from Steady State AC Analysis.
Fig. 11: Torque vs. Speed of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 11: Torque vs. Speed of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 12: Torque vs. Slip comparison of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 12: Torque vs. Slip comparison of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 13: Power Loss vs. Slip of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 13: Power Loss vs. Slip of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 14: Power Loss vs. Speed (r.p.m) of Aluminum & Copper Rotor bar.
Fig. 14: Power Loss vs. Speed (r.p.m) of Aluminum & Copper Rotor bar.

그림 목록:

  • Fig. 1: 유도 전동기 고정자 및 회전자 설계 사양.
  • Fig. 2: Opera 2D용 반 회전자 슬롯의 회전자 바 유형.
  • Fig. 3: 고정자 및 고정자 바, 회전자 및 회전자 바, 그리고 공극의 2D 뷰.
  • Fig. 4: 구리 및 알루미늄 재료의 B-H 곡선.
  • Fig. 5: 유도 전동기의 반극 AutoCAD 설계.
  • Fig. 6: 50 Hz에서의 자위선.
  • Fig. 7: 50 Hz에서의 색상 영역 기반 자위선.
  • Fig. 8: 50 Hz에서의 회전자 바의 와전류 밀도.
  • Fig. 9: 50 Hz에서의 회전자 바의 자속 밀도.
  • Fig. 10: 50 Hz에서의 회전자 바의 자계 강도.
  • Fig. 11: 알루미늄 및 구리 회전자 바의 토크 대 속도.
  • Fig. 12: 알루미늄 및 구리 회전자 바의 토크 대 슬립 비교.
  • Fig. 13: 알루미늄 및 구리 회전자 바의 전력 손실 대 슬립.
  • Fig. 14: 알루미늄 및 구리 회전자 바의 전력 손실 대 속도(rpm).

7. 결론:

모델링 및 FEM 시뮬레이션 결과, 0.5 HP 유도 전동기의 회전자 바 재료로 구리를 사용하는 것이 알루미늄에 비해 여러 가지 이점을 제공하는 것으로 나타났습니다.

구리의 높은 전기 전도율은 저항률과 임피던스를 낮추고 결과적으로 손실을 줄입니다. 구리 회전자 바는 더 균일한 자극 분포, 낮은 와전류 밀도 및 더 나은 자속 밀도 특성을 나타내어 철손을 줄일 수 있습니다. 기동 토크는 구리에서 약간 낮지만 정상 작동 슬립에서의 토크는 더 높고 토크 감소가 더 빨라 과부하 조건에서 모터 과열을 방지할 수 있습니다. 전력 손실 분석에 따르면 구리 회전자 바는 알루미늄에 비해 기동 및 고속 조건에서 손실이 더 적습니다.

전반적으로 본 연구는 손실 감소 및 유도 전동기 성능 향상 측면에서 구리가 회전자 바에 더 나은 재료임을 시사합니다.

8. 참고 문헌:

  • Chapman, S.J., 2005. Electric machinery fundamentals (4th ed). New York: McGraw-Hill.
  • Saidur, R., N.A. Rahim, H.H. Masjuki, S. Mekhilef, H.W. Ping and M.F. Jamaluddin, 2009. "End-use energy analysis in the Malaysian industrial sector". Energy, 34(2): 153-158.
  • Theodore, W., 2006. Electrical machines, drives and power systems (6th ed). New Jersey: Pearson Prentice Hall.
  • Turner, D.R., K.J. Binns, B.N. Shamsadeen and D.F. Warne, 1991. “Accurate measurement of induction motor losses using balance calorimeter". Electric Power Applications, IEE Proceedings, 138(5): 233-242.

9. 저작권:

  • 본 자료는 "[I. Daut, N. Gomesh, Y. Yanawati, M. Irwanto, S. Nor Shafiqin, Y.M. Irwan]"의 논문입니다. "[Modeling and Simulation of 0.5 HP Rotating Machine for the Investigation of Losses by Using Copper as Rotor Bar Material]"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://www.researchgate.net/publication/265542791

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Tags: Applications; , CAD; , Copper Rotor; , Efficiency; , 금형; , 해석