유도 전동기 회전자 슬롯 파라메트릭 설계 성능 평가를 위한 해석적 모델

본 소개 자료는 "(IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications"에서 발행한 논문 "[An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation]"을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: 유도 전동기 회전자 슬롯 파라메트릭 설계 성능 평가를 위한 해석적 모델 (An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation)
• 저자: 아하메드 이브라힘 시티 주하니야, 아흐마드 아스룰 이브라힘, 무함마드 암미르울 아티키 모드 자이누리, 모드 아시라프 줄키플리 (Ahamed Ibrahim Sithy Juhaniya, Ahmad Asrul Ibrahim, Muhammad Ammirrul Atiqi Mohd Zainuri, Mohd Asyraf Zulkifley)
• 발행년도: 2022년
• 발행 학술지/학회: (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications
• 키워드: 해석적 모델; 효율; 유도 전동기; 회전자 슬롯 파라미터 (Analytical model; efficiency; induction motor; rotor slot parameters)

2. 초록:

유도 전동기는 낮은 투자 비용으로 인해 대부분의 발전 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 그러나 다양한 응용 분야에서 유도 전동기의 성능은 회전자 설계 및 기계 형상에 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 회전자 바 높이와 폭을 변경하면 회전자 저항과 리액턴스가 변하여 전동기 효율이 달라집니다. 본 연구에서는 농형 유도 전동기의 효율에 미치는 파라미터의 영향을 조사하기 위해 개구부 높이, 회전자 슬롯 깊이, 회전자 슬롯 폭과 같은 회전자 슬롯 형상 파라미터에 대한 파라메트릭 연구를 수행합니다. 본 연구는 5.5kW, 60Hz, 460V 사양의 범용 농형 유도 전동기를 고려한 해석적 모델을 기반으로 합니다. 해석적 모델은 MATLAB 소프트웨어 환경 내에서 개발 및 시뮬레이션됩니다. 유도 전동기의 효율에 대한 각 파라미터 변화의 영향은 4D 산점도를 사용하여 개별적으로 그리고 전체적으로 조사됩니다. 결과는 초기 설정에서 적절한 회전자 슬롯 파라미터 설정을 설계한 후 효율이 최대 0.1%까지 향상될 수 있음을 보여줍니다.

3. 서론:

전기 기계는 발전기 또는 전동기로 작동하기 위해 전기 기계적 에너지 변환에 널리 사용됩니다. 전동기 유형 중 유도 전동기는 저비용, 낮은 유지 보수 및 자체 시동 기능으로 인해 주거 및 산업 응용 분야에서 선호됩니다. 그러나 유도 전동기는 상대적으로 낮은 효율이라는 단점이 있습니다. 효율 향상은 매우 중요하며, 최적의 파라미터 설정을 사용한 모델링이 핵심 접근 방식입니다. 회전자 슬롯 형상 파라미터는 전동기 성능에 큰 영향을 미치는데, 이는 전동기의 저항과 누설 리액턴스를 결정하기 때문입니다. 이전 연구에서는 유도 전동기 성능을 향상시키기 위해 회전자 슬롯 재설계를 탐구했습니다. 그러나 이전 연구는 주로 2D 분석 및 유한 요소법(FEM) 기술을 기반으로 했는데, 이는 특히 초기 설계 단계의 파라메트릭 연구에서 계산 부담이 크고 유연성이 떨어지며, 효율에 대한 직접적인 초점이 부족한 경우가 많습니다. 본 논문은 해석적 모델을 사용하여 회전자 슬롯 파라미터 변경이 유도 전동기의 효율에 미치는 영향을 조사함으로써 이러한 한계를 해결합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

유도 전동기는 낮은 투자 비용으로 인해 발전 및 다양한 응용 분야에 널리 사용됩니다. 성능은 회전자 설계 및 기계 형상에 크게 의존합니다. 회전자 슬롯 설계는 전동기 효율에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

기존 연구 현황:

이전 연구에서는 회전자 바 모양과 재료를 다양하게 변경하는 등 유도 전동기 성능을 향상시키기 위한 회전자 슬롯 재설계를 탐구했습니다. FEM 기술과 2D 분석은 전동기 동작, 자속 분포, 전력 손실, 고조파 왜곡 및 시동 특성에 대한 회전자 슬롯 설계의 영향을 연구하는 데 사용되었습니다. 그러나 이러한 방법은 종종 계산 부담, 파라메트릭 연구에 대한 제한된 유연성 및 효율에 대한 불충분한 초점이라는 단점이 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 농형 유도 전동기의 효율에 대한 회전자 슬롯 형상 파라미터, 특히 개구부 높이(Hor), 회전자 슬롯 깊이(Hr) 및 회전자 슬롯 폭(Btr)의 변화 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다. 본 연구에서는 이전 방법의 한계를 극복하기 위해 해석적 모델을 활용합니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 5.5kW, 60Hz, 460V 농형 유도 전동기의 효율을 평가하기 위해 MATLAB 내에서 해석적 모델을 개발하고 적용하는 것입니다. 해석적 모델은 회전자 슬롯 파라미터를 개별적으로 그리고 집합적으로 변화시켜 전동기 효율에 미치는 영향을 평가하는 파라메트릭 연구를 수행하는 데 사용됩니다. 본 연구는 전동기 성능을 향상시키기 위해 회전자 슬롯 형상을 최적화하는 데 중점을 둡니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구에서는 유도 전동기 효율에 대한 회전자 슬롯 형상 파라미터의 영향을 조사하기 위해 해석적 모델링 접근 방식을 사용합니다. 본 연구는 개발된 해석적 모델을 사용한 파라메트릭 설계 평가를 기반으로 합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

농형 유도 전동기의 해석적 모델은 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 개발 및 시뮬레이션됩니다. 모델은 변화하는 회전자 슬롯 파라미터를 기반으로 전동기 효율을 계산합니다. 데이터는 회전자 슬롯 개구부 높이(Hor), 회전자 슬롯 깊이(Hr) 및 회전자 슬롯 치폭(Btr)을 개별적으로 그리고 조합하여 체계적으로 변경하여 시뮬레이션을 통해 생성됩니다. 그런 다음 효율 변화를 그래프 및 4D 산점도를 사용하여 분석 및 시각화하여 최적의 파라미터 설정을 결정합니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 농형 유도 전동기의 회전자 슬롯 형상에 대한 파라메트릭 연구에 중점을 둡니다. 범위는 다음을 포함합니다.

• 효율 계산을 위한 해석적 모델 개발.
• 회전자 슬롯 높이(Hr), 회전자 슬롯 개구부 높이(Hor) 및 회전자 슬롯 치폭(Btr)의 개별 파라메트릭 분석.
• 4D 산점도를 사용한 Hr, Hor 및 Btr의 통합 파라메트릭 분석.
• 파라미터 변화에 따른 효율 향상 평가.
• 전동기 사양은 5.5kW, 60Hz 및 460V로 고정되며, 특정 고정자 슬롯 치수는 논문의 표 IV에 정의되어 있습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 회전자 슬롯 높이(Hr): 효율은 Hr이 22mm까지 증가함에 따라 증가하여 초기 설정보다 0.09% 향상된 최대 효율 89.79%를 달성합니다. Hr을 14mm 미만으로 줄이면 효율이 처음에는 감소하지만 누설 리액턴스 감소로 인해 반등합니다.
• 회전자 슬롯 개구부 높이(Hor): 효율은 처음에는 약간 감소한 다음 Hor = 5mm에서 최대 89.715%로 증가하여 0.015% 향상됩니다. Hor은 Hr에 비해 효율에 미치는 영향이 적습니다.
• 회전자 슬롯 치폭(Btr): 효율 변화는 이전 결과와 완전히 다른 패턴을 보여주며, Btr의 중간 범위에서 효율이 급격히 떨어집니다. 최대 효율 89.78%는 Btr = 3.75mm에서 달성되며, 0.08% 향상됩니다.
• 결합된 파라미터 변화(Hr, Hor, Btr): Hr, Hor 및 Btr이 각각 22mm, 5mm 및 5-5.5mm로 설정되었을 때 최대 효율은 89.8%에 도달하며, 이는 0.1% 향상된 것입니다. Hr이 효율 향상에 가장 큰 영향을 미치고, 그 다음이 Btr입니다.

그림 목록:

• 그림 6. 초기 설정에서 유도 전동기의 성능 (Performance of the induction motor at initial settings)
• 그림 7. Hr 변화에 따른 효율의 개별 변화 (Individual variation of efficiency when changing Hr)
• 그림 8. Hor 변화에 따른 효율의 개별 변화 (Individual variation of efficiency when changing Hor)
• 그림 9. Btr 변화에 따른 효율의 개별 변화 (Individual variation of efficiency when changing Btr)
• 그림 10. 모든 파라미터 변화에 따른 효율의 4D 산점도 (4D Scatter Plot of Efficiency when Changing All Parameters)

7. 결론:

본 논문에서는 회전자 슬롯 형상 파라미터가 유도 전동기의 효율에 미치는 영향을 조사하기 위한 해석적 접근 방식을 제시했습니다. MATLAB 기반 해석적 모델을 사용하여 회전자 슬롯 높이(Hr), 회전자 슬롯 개구부 높이(Hor) 및 회전자 슬롯 치폭(Btr)의 개별 및 결합된 변화의 영향을 조사했습니다. 개별 파라미터 변화는 Hr, Hor 및 Btr에 대해 각각 최대 0.09%, 0.015% 및 0.08%의 효율 향상을 보여주었습니다. 통합 분석은 최적화된 파라미터 설정에서 최대 0.1%의 효율 증가를 보여주며 89.8%에 도달했습니다. 결과는 회전자 슬롯 형상이 유도 전동기 효율에 상당한 영향을 미치며 적절한 파라미터 선택을 통해 크게 향상될 수 있음을 나타냅니다. 본 연구에서는 세 가지 파라미터에 초점을 맞추었지만, 향후 연구에서는 더 넓은 범위의 파라미터를 고려하여 최적화 접근 방식을 탐구할 수 있습니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "아하메드 이브라힘 시티 주하니야, 아흐마드 아스룰 이브라힘, 무함마드 암미르울 아티키 모드 자이누리, 모드 아시라프 줄키플리"의 논문입니다. "[An Analytical Model of Induction Motors for Rotor Slot Parametric Design Performance Evaluation]"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.5430/ijacsa.v13n12p883

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