로터 슬롯 및 치형 구조에 기반한 유도 전동기의 효율 향상

본 소개 자료는 [Journal of Intelligent Systems and Control]에서 발행한 논문 "Efficiency improvement of induction motors based on rotor slot and tooth structures"을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Efficiency improvement of induction motors based on rotor slot and tooth structures
• 저자: Hung Bui Duc, Chi-Phi Do, Manh Doan Cong, Vuong Dang Quoc
• 발행 연도: 2023년
• 발행 학술지/학회: Journal of Intelligent Systems and Control
• 키워드: Induction motors; Optimization design; Sequential quadratic algorithm; Fmincon function; Efficiency

2. 초록:

간단한 구조, 쉬운 유지 보수 및 저렴한 비용으로 인해 유도 전동기(IM)는 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있으며 산업에서 사용되는 교류(AC) 전동기의 60~80%를 차지합니다. 그러나 IM의 효율성은 매우 낮으며, 작은 개선이라도 상당한 에너지 절감 효과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 효율성이 1% 증가하면 수십억 킬로와트시를 절약할 수 있습니다. 따라서 본 논문은 IM의 효율성을 향상시켜 에너지 소비와 온실 가스 배출을 줄이는 것을 목표로 합니다. 정격 전력 7.5kW 및 IE3 에너지 효율 등급의 IM에 대해 다양한 변경을 통해 효율성을 개선합니다. 순차 2차 알고리즘과 fmincon 함수를 사용하여 로터 슬롯 및 치형 구조를 변경하여 거의 91%의 모터 효율을 달성했으며, 이는 원래 효율보다 상당한 개선입니다. IM의 효율성을 개선하면 특히 IM이 AC 모터의 큰 비중을 차지하는 경우 많은 에너지를 절약할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다.

3. 서론:

전기 에너지는 우리 삶에서 중요한 역할을 하며, 산업 부문에서 소비되는 전기의 대부분은 전동기에 사용되며, 그 중 유도 전동기가 가장 널리 사용되는 유형입니다. 이러한 전동기는 비용 효율적이고 유지 보수가 용이하며 신뢰성이 높고 전력망에서 직접 작동할 수 있습니다. 그러나 낮은 효율성은 상당한 단점이며, 작동과 관련된 손실은 총 사용 비용의 상당 부분을 차지할 수 있습니다. 유도 전동기(IM) 손실은 로터 및 고정자 동손, 철손, 마찰 및 풍손, 기타 손실 등 여러 유형으로 분류할 수 있습니다. 다양한 연구를 통해 이러한 손실을 최소화하려는 노력이 있었지만, 이러한 기계의 효율성은 전력에 따라 70%에서 95%까지 크게 달라질 수 있습니다 [1]. 정격 값에서 최대 효율을 갖도록 전동기를 설계하는 것은 효율적인 작동을 보장하는 데 필수적입니다 (표 1). 에너지 효율적인 유도 전동기는 높은 속도에서 더 높은 역률과 더 높은 효율성을 가지며 더 낮은 입력으로 동일한 출력을 제공할 수 있습니다 (그림 1). IM이 장기간 저전압에서 작동하면 고정자 및 로터 온도가 상승하여 동손이 증가합니다 [2, 3]. 특히 IM과 같은 고효율 전동기의 생산은 산업 응용 분야에서 에너지 비용을 줄이는 데 매우 중요합니다. IM은 다른 유형의 전동기에 비해 여러 가지 장점을 제공하지만, 낮은 효율성은 전반적인 에너지 효율성을 개선하고 비용을 절감하기 위해 반드시 해결해야 할 중요한 문제입니다 [4].

표 1. 전동기의 효율 수준 [5]

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

유도 전동기는 산업 부문에서 전기 에너지의 상당 부분을 소비합니다. 널리 사용됨에도 불구하고 내재된 낮은 효율성은 에너지 절감의 주요 기회를 제공합니다. IM 효율성이 약간만 증가해도 에너지 소비와 온실 가스 배출을 크게 줄일 수 있습니다.

기존 연구 현황:

기존 연구에서는 IM 성능을 향상시키기 위한 다양한 방법을 모색했습니다. 여기에는 슬립 전력 회수를 기반으로 한 제어 전략, 로터 케이지의 재료 변경 (예: 구리 및 프리미엄 강철), 고정자 및 로터 슬롯 모양 수정, 정주파수 제어 기술 등이 포함됩니다. 유한 요소법(FEM)과 유전 알고리즘 및 고자속 재료를 결합한 방법도 연구되었습니다. 또한 가변 속도 IM 드라이브 및 효율성 평가를 위한 군집 최적화 기술에 대한 접근 방식도 개발되었습니다.

연구 목적:

본 연구는 7.5kW, IE3 효율 등급 IM의 효율성을 개선하고 무게를 줄이는 것을 목표로 합니다. 주요 목표는 모터 효율성을 크게 향상시키기 위해 로터 슬롯 및 치형 구조를 최적화하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 Matlab 환경 내에서 순차 2차 알고리즘(SQA) 및 fmincon 함수를 적용하여 로터 슬롯 및 치형 구조를 최적화하는 것입니다. 이 최적화 프로세스는 모터 효율성을 극대화하는 것을 목표로 합니다. IM의 계산 과정은 그림 2에 나와 있으며, 설계 모듈, 제어 모듈 및 파라미터 최적화를 위한 데이터베이스 상호 작용을 보여줍니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

방법론은 Matlab 내에서 최적화 함수(fmincon 함수)를 사용합니다. 그림 2에 나와 있는 계산 과정은 설계 모듈, 제어 모듈 및 데이터베이스를 포함합니다. 설계 모듈은 제안된 IM의 파라미터를 정의하고, 제어 모듈은 데이터베이스 및 설계 모듈을 기반으로 최적화 계산을 수행하여 지정된 제약 조건 하에서 효율성을 극대화합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

본 연구는 전산 분석 및 최적화 알고리즘을 활용합니다. fmincon 함수는 수렴 솔루션을 얻기 위해 사용되며, 효율성 극대화 및 자기 회로 무게 최소화라는 두 가지 목표를 대상으로 합니다. 최적 파라미터에는 로터 치형 직경(외측 및 내측), 로터 치형 높이 및 로터 슬롯 수가 포함됩니다. 제약 조건은 기동 전류 및 토크와 같은 요소에 적용됩니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 7.5kW IE3 유도 전동기의 로터 슬롯 및 치형 구조 최적화에 중점을 둡니다. 최적화 프로세스는 효율성 및 모터 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 강철 유형을 고려합니다. 범위에는 최적화된 모터와 기존 설계의 효율성, 무게, 기동 전류, 기동 토크 및 최대 토크를 비교 분석하는 것이 포함됩니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

최적화 프로세스 결과, M235-35A 강철 유형의 경우 기준 효율 89.71%에서 거의 91%까지 효율성이 크게 향상되었습니다. 이 최적화된 효율성은 IE3 모터 등급에 부합합니다. 그림 5와 표 3은 다양한 강철 유형에 대한 효율성 및 무게 비교를 보여주며, 최적화된 모터가 더 높은 효율성과 감소된 무게(M235-35A의 경우 28kg 대 29kg)를 달성했음을 보여줍니다. 기동 전류 배율은 허용 가능한 한도 내에 유지되었고 (그림 6, 표 4), 기동 토크 배율은 초기 제약 조건 (그림 7, 표 5)을 초과하여 개선되었습니다. 최대 토크 배율도 약간 증가했습니다 (그림 8, 표 6). 그림 9와 그림 10은 각각 기존 모터와 최적화된 모터의 기계적 및 전류 특성, 출력 전력 특성을 보여주며, 개선된 성능을 검증합니다.

그림 목록:

• 그림 1. 출력 전력에 따른 전동기 효율 수준 [5]
• 그림 2. IM 계산 과정
• 그림 3. 로터 슬롯 및 치형 구조
• 그림 4. 최적화 설계를 위한 알고리즘
• 그림 5. 다양한 강철 유형에 따른 기존 솔루션과 최적 솔루션 간의 효율성 비교
• 그림 6. 다양한 강철 유형에 따른 기존 및 최적 기동 전류 배율
• 그림 7. 다양한 강철 유형에 따른 기존 및 최적 기동 토크 배율
• 그림 8. 다양한 강철 유형에 따른 기존 및 최적 최대 토크 배율
• 그림 9. 기존 및 최적 모터의 기계적 및 전류 특성
• 그림 10. 기존 및 최적 솔루션의 출력 전력 특성

7. 결론:

본 연구에서는 로터 슬롯 및 치형 구조를 최적화하여 유도 전동기의 효율성을 향상시키고 무게를 줄이는 새로운 접근 방식을 성공적으로 입증했습니다. 최적화된 설계는 M235-35A 강철의 경우 IE3 모터 등급과 일치하는 90.16%의 상당한 효율성 증가를 달성했습니다. 또한 최적화된 모터는 허용 가능한 기동 전류를 유지하고 기동 및 최대 토크 특성을 개선했습니다. 제시된 기계적, 전류 및 출력 전력 특성은 제안된 방법을 검증합니다. 본 연구 결과는 IM 효율성을 개선하기 위해 최적화 기술을 활용하려는 제조업체 및 설계자에게 귀중한 통찰력을 제공합니다.

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9. 저작권:

• This material is a paper by "Hung Bui Duc, Chi-Phi Do, Manh Doan Cong, and Vuong Dang Quoc". Based on "Efficiency improvement of induction motors based on rotor slot and tooth structures".
• Source of the paper: https://doi.org/10.56578/jisc020102

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