Analysis and Reduction of Parasitic Effects in Induction Motors With Die-Cast Rotors

본 소개 자료는 "[KTH Royal Institute of Technology]"에서 발행한 박사 학위 논문 "[Analysis and Reduction of Parasitic Effects in Induction Motors With Die-Cast Rotors]"를 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Analysis and Reduction of Parasitic Effects in Induction Motors With Die-Cast Rotors (다이캐스트 회전자를 가진 유도 전동기의 기생 효과 분석 및 저감)
• 저자: ALEXANDER STENING
• 발행 연도: 2013
• 발행 학술지/학회: KTH Royal Institute of Technology
• 키워드: Aluminium rotors (알루미늄 회전자), asynchronous torques (비동기 토크), copper rotors (구리 회전자), die-cast rotors (다이캐스트 회전자), induction machines (유도기), inter-bar currents (바 간 전류), modulated rotors (변조 회전자), starting torque (기동 토크), stray losses (표유 부하 손실), synchronous torques (동기 토크).

2. 초록:

본 논문은 다이캐스트 알루미늄 및 다이캐스트 구리 회전자를 가진 유도 전동기에서 바 간 전류(inter-bar current) 효과에 대한 연구를 제시합니다. 이러한 전류로 인해 발생하는 기생 효과를 분석하고 이러한 문제에 대한 가능한 해결책을 제시합니다. 이는 바 간 전류 효과 시뮬레이션을 위한 분석 도구를 개발하여 실현됩니다. 사용된 방법은 시제품 기계에 대한 측정을 통해 검증됩니다. 바 간 전류는 모터 기동 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 풀아웃 토크(pull-out torque) 감소로 이어질 수 있음을 보여줍니다. 정격 운전 시에는 고조파 회전자 전류 증가로 나타나며, 이는 모터 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.
열량 측정 결과, 스큐(skew)된 다이캐스트 알루미늄 회전자를 스큐된 다이캐스트 구리 회전자로 대체했을 때 얻어지는 효율 증가는 이론적 기대치보다 낮다는 것을 보여줍니다. 이는 구리 회전자의 역률 감소 때문인 것으로 나타났습니다. 높은 바 간 전류가 이 효과의 원인으로 여겨지며, 회전자 기자력(magnetomotive force)의 고조파 성분을 증가시킵니다. 이는 증가된 회전자 누설 리액턴스로 나타날 수 있습니다. 고정자 시험(locked-rotor test) 결과와 측정된 바 간 저항 값을 사용한 시뮬레이션이 이 이론을 뒷받침합니다.
이러한 부정적인 효과는 스큐가 없는(unskewed) 회전자를 사용함으로써 무시할 수 있는 수준으로 억제되지만, 저속에서 큰 동기 토크가 발생하는 단점이 있습니다. 비대칭 회전자 슬롯 분포를 갖는 변조 회전자(modulated rotor) 개념을 사용하여, 이러한 기생 토크를 줄이기 위해 스큐 없는 회전자가 설계되었습니다. 시제품 기계에 대한 측정 결과, 변조 회전자는 바 간 전류와 동기 토크를 모두 억제하여 모터 효율의 큰 변화 없이 개선된 기동 성능을 나타냄을 보여줍니다. 제시된 결과는 변조 회전자 개념의 잠재력을 강화하며, 유도기에서 나타나는 부정적인 효과를 줄이기 위한 새로운 가능성을 제시합니다.

3. 서론:

유도기는 가장 일반적으로 사용되는 전기 기계이며, 에너지 절약을 위해 효율을 개선하는 것이 중요합니다. 손실 감소는 잘 알려진 고정자 및 회전자 동손, 철손 및 마찰손뿐만 아니라 추가 손실(정격 부하에서는 표유 부하 손실이라고 함)의 감소도 포함합니다. 이 손실은 일반적으로 모터 입력 전력의 0.5% - 3% 범위이지만 더 클 수도 있습니다 [1, 2, 3]. 중소형 유도 전동기는 종종 비용 효율적인 다이캐스트 알루미늄 회전자를 사용합니다. 주조 기술의 발전으로 다이캐스트 구리 회전자 제조가 가능해졌으며, 구리의 높은 전도성은 회전자 케이지 손실을 줄입니다 (약 40%의 I2R 손실 감소 보고됨 [4]). 구리를 활용하도록 기계를 재설계하면 효율을 더욱 높일 수 있습니다 [5, 6, 7, 8].

회전자 스큐는 소음 감소 [9] 및 (바가 절연된 경우) 비동기 토크 및 고조파 손실 억제 [10]를 위한 일반적인 방법입니다. 그러나 다이캐스트 회전자는 슬롯 절연이 부족하여 스큐 설계 시 원치 않는 바 간 전류가 발생합니다. 이러한 전류는 기동 중 비동기 토크를 증가시키고 [11] 표유 부하 손실을 증가시킬 수 있으며 [12, 13], 이 손실의 상당 부분을 차지할 수 있습니다 [3].

산업계 경험에 따르면 다이캐스트 알루미늄 회전자를 다이캐스트 구리 회전자로 대체했을 때 이론적으로 예상했던 것보다 효율 향상이 적었습니다. 이러한 불일치는 바 간 전류 때문인 것으로 의심되었으며, 이 전류는 바 간 저항에 크게 영향을 받고, 이 저항은 케이지 재료 및 다이캐스팅 공정에 따라 달라질 가능성이 있어 알루미늄과 구리 회전자 개념 간의 차이를 시사합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

다이캐스트 회전자는 유도 전동기에서 널리 사용됩니다. 구리 회전자는 알루미늄보다 높은 전도성을 제공하여 잠재적으로 효율을 향상시키지만, 특히 일반적인 기술인 회전자 스큐와 함께 구현될 때 기생 효과를 유발합니다. 다이캐스트 회전자의 절연 부족은 스큐 시 바 간 전류를 허용하여 성능(토크 특성, 손실)에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 효과, 특히 알루미늄과 구리 다이캐스트 회전자 간의 차이를 이해하고 완화하는 것은 고효율 모터 설계에 필수적입니다.

기존 연구 현황:

이전 연구에서는 다이캐스트 구리 회전자의 손실 감소 가능성 [4, 5, 6, 7, 8]과 스큐 회전자에서 바 간 전류의 부정적인 영향 [11, 12, 13]을 확인했습니다. 바 간 저항 측정 방법도 존재했습니다 [14, 15, 16]. 그러나 다이캐스트 알루미늄과 구리 회전자 간의 바 간 전류 효과에 대한 직접적인 비교와 구리 사용 시 관찰된 예상보다 낮은 효율 증가에 대한 설명은 추가 조사가 필요했습니다. 스큐 없는 설계의 문제를 해결하기 위한 변조 회전자 개념이 제안되었지만 [31], 기동 성능 및 손실에 대한 평가가 필요했습니다.

연구 목적:

주요 목적은 다이캐스트 알루미늄 및 구리 회전자 모두에서 바 간 전류의 영향을 평가하고, 이론적 기대치와 비교하여 구리 회전자에서 관찰된 낮은 효율이 이러한 효과 때문인지 확인하며, 확인된 기생 효과(예: 감소된 풀아웃 토크 및 증가된 동기 토크)를 완화하기 위한 해결책을 제안하고 검증하는 것이었습니다.

핵심 연구:

본 연구는 알루미늄 및 구리 회전자의 바 간 저항 측정을 포함했으며, 구리에서 상당히 낮은 저항을 보였습니다. 포화 및 표피 효과를 통합하여 바 간 전류 효과를 시뮬레이션하기 위한 분석 모델이 개발되었습니다. 스큐된 알루미늄 및 구리 회전자에 대한 비교 연구(11kW 및 15kW 기계에 대한 시뮬레이션 및 실험)가 수행되었습니다. 이 결과, 구리 회전자는 더 낮은 풀아웃 토크와 감소된 역률을 보여 예상보다 낮은 효율 증가를 보였습니다. 이는 낮은 바 간 저항으로 인한 높은 고조파 회전자 전류가 누설 인덕턴스를 증가시키기 때문으로 여겨집니다. 또한 스큐 없는 회전자를 조사하여 바 간 전류 억제를 확인했지만 큰 동기 토크 문제를 강조했습니다. 이를 해결하기 위해 비대칭 슬롯 분포를 가진 스큐 없는 "변조 회전자" 개념이 설계, 시뮬레이션 및 테스트되었습니다. 이 시제품은 정격 효율에 큰 영향을 미치지 않으면서 바 간 전류와 동기 토크를 성공적으로 줄여 개선된 기동 성능을 보였습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 분석 모델링, 수치 시뮬레이션(FEM 포함) 및 실험 검증의 조합을 사용했습니다. 스큐된 알루미늄, 스큐된 구리, 스큐 없는 대칭 알루미늄, 그리고 새로운 스큐 없는 변조(비대칭) 알루미늄 회전자 등 다양한 다이캐스트 회전자 유형을 장착한 유도 전동기의 성능을 비교했습니다. 두 가지 주요 모터 프레임이 사용되었습니다: Al/Cu 비교를 위한 11kW 기계와 스큐 효과 및 변조 회전자 개념 평가를 위한 15kW 기계.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 바 간 저항 측정: Odok [14] 및 Dabala [15, 16]의 방법을 기반으로 바 간 저항을 측정하기 위한 전용 테스트 리그(Fig. 2.1)가 개발되었습니다.
• 분석 모델링: Behdashti의 연구 [17, 11]에서 파생된 분석 모델을 사용하여 바 간 전류와 모터 성능에 미치는 영향(Fig. 2.2)을 계산했습니다. 이 모델은 MMF 공간 고조파, 고정자 슬롯팅으로 인한 공극 퍼미언스 변화, 회전자 바의 표피 효과 [18], 누설 경로의 포화(FEM/고정자 시험에서 파생)를 고려했습니다.
• 실험 테스트:
  • 토크-속도 특성 측정을 위한 직입 기동 테스트 (Fig. 3.1, 4.8, 4.9).
  • 총 손실 및 표유 부하 손실의 정확한 측정을 위한 열량 측정 (Table 3.2, Fig. 3.3), IEC 60034-2-1 [27]에 따른 손실 분리 포함.
  • 효율 및 역률 결정을 위한 정격 및 부분 부하 테스트 (Fig. 3.4, Table 3.3, Table 3.4, Table 4.1).
  • 고정자 시험 (Locked-rotor tests).
• 시뮬레이션: FEM 시뮬레이션을 사용하여 누설 경로 포화 계수를 검증하고 변조 회전자 성능(예: 고정자 토크 변화 Fig. 4.4, 기동 토크 Fig. 4.7)을 분석했습니다. 변조 설계를 위해 회전자 퍼미언스에 푸리에 분석을 적용했습니다 (Fig. 4.3, 4.5).

연구 주제 및 범위:

연구는 다음에 초점을 맞췄습니다:

• 다이캐스트 알루미늄 및 구리 회전자의 바 간 저항 정량화.
• 바 간 전류가 다음에 미치는 영향 분석:
  • 기동 성능 (풀아웃 토크, 비동기 토크, 동기 토크).
  • 정격 성능 (효율, 역률, 표유 부하 손실, 고조파 회전자 전류).
• 스큐된 알루미늄과 스큐된 구리 회전자 간의 성능 차이 비교.
• 스큐 없는 회전자 사용의 장단점 평가 (감소된 바 간 전류 대 증가된 동기 토크).
• 수용 가능한 성능을 유지하면서 스큐 없는 회전자에서 동기 토크를 줄이는 방법으로 "변조 회전자" 개념(특히 Progressive Sinusoidal 변조) 개발 및 평가.
• 연구는 주로 4극, 11kW(축 높이 132mm, 36 고정자/28 회전자 슬롯) 및 15kW(축 높이 160mm, 36 고정자/28 회전자 슬롯) 유도 전동기를 기반으로 했습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 측정 결과, 연구된 다이캐스트 구리 회전자의 바 간 저항률은 연구된 다이캐스트 알루미늄 회전자보다 최소 10배 낮았습니다 (Table 3.1).
• 시뮬레이션과 측정 결과, 스큐된 구리 회전자의 풀아웃 토크가 동등한 스큐된 알루미늄 회전자보다 낮다는 것을 확인했습니다 (Fig. 3.1).
• 11kW 기계에 대한 열량 측정 결과, 스큐된 알루미늄 회전자를 스큐된 구리 회전자로 대체했을 때 얻은 효율 향상(0.6 퍼센트 포인트)은 이론적 기대치(1.1 퍼센트 포인트)보다 낮았습니다. 이는 구리 회전자의 역률 감소 때문이었습니다 (Fig. 3.4, Table 3.3).
• 구리 회전자의 낮은 역률은 낮은 바 간 저항률로 인한 높은 고조파 회전자 전류가 회전자 MMF의 고조파 함량을 증가시켜 회전자 누설 인덕턴스를 증가시키기 때문으로 여겨집니다. 고정자 시험 결과가 이를 뒷받침했습니다.
• 11kW 기계의 경우, 스큐된 Al과 스큐된 Cu 회전자의 표유 부하 손실은 유사했으며, 이는 구리 사용 시 이러한 손실이 감소하기보다는 재분배됨을 시사합니다 (Fig 3.3).
• 회전자 스큐를 제거하면 상당한 바 간 전류가 제거되지만 큰 동기 토크가 발생하여 성공적인 기동을 방해할 수 있습니다 (Fig 2.3, Fig 4.8).
• 새로운 스큐 없는 변조 회전자 설계(비대칭 슬롯 분포)가 개발되어 15kW 기계에서 테스트되었습니다.
• 시제품 변조 회전자에 대한 측정 결과, 대칭적인 스큐 없는 회전자에 비해 동기 토크를 성공적으로 억제하여(Fig 4.8, Fig 4.9) 개선된 기동 성능을 보였습니다.
• 변조 회전자는 표준 스큐 회전자와 비교하여 정격 모터 효율의 큰 변화 없이 이러한 개선을 달성했습니다 (Table 4.1).

Figure 1.1: Slot shape for the rotors used in the 11 kW machine.

Figure 4.9: Measured torque during deceleration from no-load to stand-still for the three rotors tested in the same stator.

Figure 4.7: FEM-simulated starting torques for the two unskewed rotors.

Figure 4.4: Locked rotor torque as a function of the rotor position for the 36 slot rotor at different levels of PS modulation.

Figure 4.1: One quarter of a Dual 24:32 machine having 28 rotor slots and pole symmetry.

Figure 3.1: Starting torque at rated voltage for the studied aluminium and copper rotors skewed by one stator slot pitch.

Figure 2.4: Additional rotor losses for the 15 kW machine at rated power as a function of inter-bar resistivity.

Figure 2.3: Starting torque for the 15 kW machine at different inter-bar resistivities Rtn.

Figure 2.2: Procedure for the calculation of motor performance at different slip and inter-bar resistivity

그림 이름 목록:

• Figure 1.1: 11 kW 기계에 사용된 회전자의 슬롯 형상.
• Figure 1.2: 15 kW 기계에 사용된 회전자의 슬롯 형상.
• Figure 2.1: 바 간 저항 측정을 위한 회전자 테스트 설정.
• Figure 2.2: 다양한 슬립 및 바 간 저항률에서 모터 성능 계산 절차.
• Figure 2.3: 다양한 바 간 저항률 Rtn에서의 15 kW 기계 기동 토크.
• Figure 2.4: 정격 출력에서 바 간 저항률의 함수로서 15 kW 기계의 추가 회전자 손실.
• Figure 3.1: 1개의 고정자 슬롯 피치만큼 스큐된 연구된 알루미늄 및 구리 회전자의 정격 전압에서의 기동 토크.
• Figure 3.2: 11 kW 정격 축 출력에서 스큐된 회전자의 바 간 저항률 함수로서 시뮬레이션된 추가 회전자 케이지 손실.
• Figure 3.3: 정규화된 토크 제곱의 함수로서 잔류 손실.
• Figure 3.4: 정규화된 축 출력의 함수로서 효율 (a) 및 역률 (b).
• Figure 4.1: 28개의 회전자 슬롯과 극 대칭을 갖는 Dual 24:32 기계의 1/4.
• Figure 4.2: 36개의 회전자 슬롯과 극 대칭을 갖는 PS-회전자의 1/4.
• Figure 4.3: PS 변조 없는(검정색) 및 PS 변조 있는(회색) 36 슬롯 회전자의 지배적인 슬롯 번호.
• Figure 4.4: 다양한 PS 변조 수준에서 36 슬롯 회전자의 회전자 위치 함수로서 고정자 토크.
• Figure 4.5: 변조된 시제품 회전자의 회전자 퍼미언스에 포함된 지배적인 슬롯 번호.
• Figure 4.6: 극 대칭을 갖는 변조된 시제품 회전자의 1/4.
• Figure 4.7: 두 개의 스큐 없는 회전자에 대한 FEM 시뮬레이션 기동 토크.
• Figure 4.8: 동일한 15 kW 고정자에서 테스트된 다른 회전자의 속도 함수로서 측정된 토크.
• Figure 4.9: 동일한 고정자에서 테스트된 세 회전자의 무부하에서 정지 상태까지 감속 중 측정된 토크.

7. 결론:

본 연구는 다이캐스트 구리 회전자의 바 간 저항률이 알루미늄 회전자보다 현저히 낮다는 것을 보여주었습니다. 이는 스큐된 구리 회전자에서 더 높은 바 간 전류를 유발하여, 시뮬레이션과 측정으로 검증된 바와 같이 동등한 알루미늄 회전자보다 낮은 풀아웃 토크를 초래합니다. 열량 측정 테스트 결과, 스큐된 구리 대신 스큐된 알루미늄을 사용했을 때의 효율 향상은 이론적 기대치보다 낮았습니다. 이러한 성능 저하는 구리 회전자의 낮은 역률과 관련이 있으며, 이는 낮은 바 간 저항으로 인해 증폭된 고조파 전류로 인한 회전자 누설 인덕턴스 증가 때문일 가능성이 높습니다.

15kW 알루미늄 회전자를 조사한 결과, 스큐를 제거하면 풀아웃 토크가 11% 감소했습니다. 시뮬레이션 결과 스큐 누설은 5%만 차지하는 것으로 나타나, 스큐된 회전자의 바 간 전류가 상당한 제동 토크를 발생시켰음을 시사합니다. 스큐 없는 회전자는 약간 더 높은 효율을 제공했지만, 큰 동기 토크 문제가 있었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 비대칭 슬롯을 가진 스큐 없는 변조 회전자가 설계 및 테스트되었습니다. 이 시제품은 (스큐가 없으므로) 바 간 전류와 (변조를 통해) 동기 토크를 성공적으로 줄여 개선된 기동 성능을 보였습니다. 중요한 것은, 일부 제조상의 불완전성에도 불구하고 표준 스큐 회전자와 비교하여 모터 효율의 큰 변화 없이 이를 달성했다는 점입니다. 이러한 결과는 유도기에서 기생 효과를 완화하기 위한 유연한 솔루션으로서 변조 회전자 개념의 잠재력을 확인시켜 줍니다.

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