추진기 성능을 고려한 무인 해양 탐사용 영구자석 동기전동기 설계 및 특성 분석

Abstract

본 논문은 무인 해양 탐사용 영구자석 동기전동기의 설계 및 제어 특성 해석에 관한 것이며 영구자석 동기전동기의 선정은 제작성이 비교적 간단하고 고효율 구현이 가능하며 체적에 대한 밀도가 높은 표면부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM_Surface-mounted Permanent Magnet synchronous motor)로 채택하였다. 무인 해양 탐사용 영구자석 동기전동기의 설계를 위해서는 추진기에 요구되는 사양 검토가 선행으로 이루어져야 한다. 본 논문에서는 프로펠러에 대한 추력을 기반으로 기본 설계를 진행하였으며, 추진기가 요구되는 추력을 얻기 위한 파라미터의 선정에 대해 수식적으로 살펴보고 본 논문에서 제안한 허브(Hub)와 샤프트(Shaft)가 없는 추진용 전동기의 프로펠러 결합을 고려하여 회전자의 크기를 선정하였다. 본 논문에서 제안한 샤프트리스(Shaft-less)형 추진용 영구자석 동기전동기는 스크류 방식의 추진기보다 컴팩트(Compact)한 배치와 구조적 부품 단순화, 비용과 무게 절감 등 많은 장점을 기대할 수 있다. 추진 역할을 하는 영구자석 동기전동기는 전자기적 특성 검토를 필수적 요소로 진행되어야 한다. 회전자 부피에 대한 출력 토크를 결정하는 방법과 고정자 좌표계의 전압방정식, 영구자석 특성에 따른 잔류자속밀도와 극 수와 슬롯 수의 조합법, 공극 자속밀도에 대해 수식적으로 살펴보고 자기등가회로법을 이용하여 무부하 시 자기 데이터와 코깅토크, 역기전력에 대한 해석 결과와 정격 부하 시 성능 해석 결과를 기반으로 무인 해양 탐사용 영구자석 동기전동기의 기초 설계 데이터를 검증하고 제어 방식에 대한 성능 확인을 위해 유한요소법을 이용하여 정현파 및 PWM 구동에 따른 전자기적 특성과 공극 자속밀도에 대한 분포, 전자기적 손실을 검토하여 설계 모델의 전자기적 성능을 검증하였다. 끝으로 본 논문에서는 전동기 설계에 대한 결과 검증을 위해 제안된 무인 해양 탐사용 영구자석 동기전동기 시작품을 제작하여 무부하 실험을 통해 권선저항과 역기전력을 측정하여 기본 설계 데이터를 확인하고 다이나모미터를 이용하여 제어 방식 따른 부하 실험을 통해 전동기 설계 특성에 대해 검증하였다. 또한 추진 성능을 확인하기 위해 해수 환경 구현용 모의 수조를 제작하고 로드셀을 이용하여 제어 방식에 따른 추력을 측정하여 제안된 설계 모델의 타당성을 검증하였다.