단상 유도 전동기를 사용한 천장 선풍기의 에너지 효율 설계 및 개발 (타구치 직교 배열 사용)

본 소개 자료는 ['IEEE International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON)']에서 발행한 'Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays' 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays (타구치 직교 배열을 사용한 천장 선풍기용 고효율 단상 유도 전동기 설계 및 개발)
• 저자: Utkarsh Sharma, Bhim Singh
• 발행 연도: 2020
• 발행 저널/학회: 2020 IEEE International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON)
• 키워드: AC Fans, Taguchi's Orthogonal Array, Single Phase Induction Motor, Home Appliances (AC 팬, 타구치 직교 배열, 단상 유도 전동기, 가전 제품).

2. 초록 (Abstract):

기존의 단상 유도 전동기(SPIM) 기반 천장 선풍기는 전자기 구조의 고유한 비선형성으로 인해 분석적인 절차를 사용하여 설계하기 어렵습니다. 저차 고조파의 영향을 제거하기 위한 로터 바의 높은 스큐는 2D 자기 회로 기반의 분석적 솔루션을 상당히 부정확하게 만듭니다. 이 논문은 천장 선풍기 응용 분야를 위한 에너지 효율적인 SPIM의 체계적인 설계 및 실험적 검증을 다룹니다. 2D 유한 요소 분석을 사용하여 모터의 효율을 개선하기 위해 기존 SPIM에서 시작하는 체계적인 접근 방식이 제시됩니다. 이 프로세스에는 에너지 효율적인 모터를 얻기 위한 일련의 실험 설계(2D 다중 슬라이스 시간 스테핑 과도 유한 요소 분석)가 뒤따르는 기존 천장 선풍기 모터의 설계 검증이 포함됩니다. 타구치 직교 배열은 모터의 성능 향상을 위해 사용됩니다.

3. 서론 (Introduction):

주요 내용 요약:

1895년 Philip Diehl이 발명한 천장 선풍기는 주로 냉각을 제공하기 위해 공기를 순환시킵니다. 영구 커패시터 단상 유도 전동기(PCSPIM)는 제조 용이성, 우수한 역률 및 긴 수명으로 인해 일반적으로 사용됩니다. 이러한 모터, 특히 천장 선풍기에 사용되는 외부 로터 유형을 설계하는 것은 권선 배치, 고정자 포화, 회전자 슬롯 크기 및 재료 부피 절충과 같은 제약 조건으로 인해 복잡합니다. 기존 설계 문헌은 주로 내부 로터 SPIM에 중점을 둡니다. 천장 선풍기 SPIM의 정확한 분석적 모델링은 불균등한 자기 회로 길이, 높은 회전자 바 스큐 및 돌출된 권선 오버행으로 인해 어렵습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

단상 유도 전동기(SPIM)를 사용한 천장 선풍기 설계는 고유한 비선형성과 높은 회전자 바 스큐의 필요성으로 인해 어렵습니다.

이전 연구 현황:

기존 문헌은 주로 내부 로터 SPIM에 중점을 두고 있으며 천장 선풍기에 사용되는 외부 로터 설계에 대한 연구는 제한적입니다. 분석적 모델링은 불균등한 자기 회로 길이 및 높은 회전자 스큐와 같은 요인으로 인해 복잡합니다.

연구 목적:

천장 선풍기 응용 분야를 위한 에너지 효율적인 SPIM의 체계적인 설계 및 실험적 검증을 제시합니다.

핵심 연구:

2D 유한 요소 분석(FEA) 및 타구치 직교 배열을 사용한 SPIM 효율 개선.

5. 연구 방법론

연구 설계:

타구치 직교 배열을 사용하여 FEA 시뮬레이션 횟수를 최소화하는 5단계의 다단계 강력 설계 프로세스.

데이터 수집 및 분석 방법:

2D 다중 슬라이스 시간 스테핑 과도 유한 요소 분석 시뮬레이션. 타구치 방법은 설계 변수가 모터 효율에 미치는 영향을 분석하는 데 사용되었습니다. 통계적 관계는 각 설계 변수에 대한 최적 수준을 예측하는 데 사용되었습니다.

연구 주제 및 범위:

기존 상용 SPIM 천장 선풍기 검증. 직교 행렬을 사용한 고정자 및 회전자 매개변수 최적화. 성능 향상을 위한 매개변수 추가 튜닝.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 기존 상용 천장 선풍기 모터는 FEA를 사용하여 검증되었습니다.
• 고정자 및 회전자 매개변수는 타구치의 L18 직교 배열을 사용하여 최적화되었습니다.
• L4 및 L8 배열을 사용하여 추가 개선이 수행되었습니다.
• 효율이 크게 향상된 최종 설계가 달성되었습니다.
• 개선된 설계는 자속 밀도 플롯에서 감소된 포화 수준을 보여주었습니다.

그림 이름 목록:

• Fig. 1 Cross section of ceiling fan SPIM (천장 선풍기 SPIM 단면도)
• Fig. 2 (a) Airgap flux density (b) Air gap MMF in a 16 Pole ceiling fan SPIM (16극 천장 선풍기 SPIM의 (a) 공극 자속 밀도 (b) 공극 MMF)
• Fig. 3 Commercial ceiling fan stator (b) rated performance of the motor (상업용 천장 선풍기 고정자 (b) 모터의 정격 성능)
• Fig. 4 Flux density plot of the existing ceiling fan motor at rated loading (정격 부하에서 기존 천장 선풍기 모터의 자속 밀도 플롯)
• Fig. 5 Stages of formation of Orthogonal Arrays of Runs (실행의 직교 배열 형성 단계)
• Fig. 6 Analysis of averages plot for (a) First L18 OA (b) Second L18 OA ((a) 첫 번째 L18 OA (b) 두 번째 L18 OA에 대한 평균 플롯 분석)
• Fig. 7 Analysis of averages plot for (a) L4 OA (b) L8 OA ((a) L4 OA (b) L8 OA에 대한 평균 플롯 분석)
• Fig. 9 (a) Flux density plot for the improved design motor (b) flux lines plot for the improved design motor. (개선된 설계 모터의 (a) 자속 밀도 플롯 (b) 자속 선 플롯)
• Fig. 10 (a) Air gap radial flux density plot wrt mechanical angle (b) Harmonic spectrum of the air gap flux density (c) winding currents (d) Torque vs Speed characteristics of motor and load for improved design (개선된 설계에 대한 (a) 기계적 각도에 대한 공극 반경 방향 자속 밀도 플롯 (b) 공극 자속 밀도의 고조파 스펙트럼 (c) 권선 전류 (d) 모터 및 부하의 토크 대 속도 특성)

7. 결론 (Conclusion):

주요 결과 요약:

천장 선풍기 응용 분야를 위한 단상 유도 전동기가 설계, 개발 및 테스트되었습니다. 타구치 직교 배열은 복잡한 비선형 동작과 이산적인 설계 변수를 처리하는 데 사용되었습니다. 고정자와 회전자는 시뮬레이션을 통해 광범위하게 조정되었습니다.

효율성과 서비스 계수가 개선된 천장 선풍기 응용 분야를 위한 단상 유도 전동기가 설계, 개발 및 만족스러운 성능으로 테스트되었습니다. 모터의 개선된 설계는 모터의 복잡한 비선형 거동과 실행 가능한 제조를 위한 설계 변수의 불연속적인 특성 때문에 타구치의 직교 배열을 사용하여 접근합니다. 고정자와 회전자는 더 많은 수의 시뮬레이션 실행으로 시뮬레이션 세트로 광범위하게 조정됩니다. 또한 성능 향상을 위해 미세 조정됩니다. 입력 와트는 기존 팬보다 훨씬 낮습니다. 따라서 천장 SPIM에 대한 실현 가능한 개선된 설계가 달성됩니다.

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9. 저작권 (Copyright):

• 본 자료는 "Utkarsh Sharma, Bhim Singh"의 논문입니다. "Design and Development of Energy Efficient Single Phase Induction Motor For Ceiling Fan Using Taguchi's Orthogonal Arrays"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: [DOI: 논문에 제공되지 않았지만 IEEE 회의 논문입니다.]

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