앞에서 진행한 3차원 Teeth 형상 설계를 통해 철손은 저감할 수 있었지만 역 기전력 감소로 인해 전동기의 입력전류가 상승하면서 전류밀도 및 동손이 상승 하였다. 따라서 이를 저감하기 위해 최적의 권선 설계를 진행하였다.
먼저, 전기강판과 동일 점적율에서 권선 최적 설계를 진행하였다. 표 4-9에 동 일 점적율의 권선 설계 사양을 나타내었다. 권선의 외경은 0.9∼1.2[mm]까지 증 가시키면서 턴 수를 설계하였다. 표 4-9에서 보는바와 같이 권선 외경이 증가함 에 따라 동일 점적율을 유지하기 위해서는 턴 수가 감소함을 알 수 있다.
따라서, 권선의 외경이 증가와 턴 수 감소로 인해 저항은 감소될 것으로 예상 되지만, 턴 수 감소로 인한 역기전력 감소 및 전류 상승이 예상된다. 이에 따라, 저항 감소와 전류 상승에 따른 효율과 전류밀도 분석을 진행하였다. 표 4-10에 동일 점적율의 권선 설계 결과를 나타내었다. 표 4-10에서 보는바와 같이 권선 외경 증가와 턴 수 감소로 인한 저항은 감소하였다. 하지만 전류 증가로 인한 전 류밀도는 저감되지 않았다. 따라서, 동일 점적율에서는 전류 밀도 저감이 불가능 함을 확인하였다.
표 4-9 동일 점적율의 권선 설계 사양
Table 4-9 Design specifications of coil winding of same slot fill factor
Winding condition
Slot fill factor [%]
Coil diameter [mm] Number of turns
0.8 36 29.2
0.9 29 29.4
1.0 23 29.1
1.1 19 28.7
1.2 16 28.4
표 4-10 동일 점적율의 권선 설계 결과
Table 4-10 Coil winding design results of same slot fill factor
ESS
model SMC model
Coil diameter [mm] 0.8 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 Number of turns 36 36 29 23 19 16 Back EMF [Vrms] 47.11 42.43 34.17 27.1 22.38 18.85
THD [%] 4.41 9.81 9.82 9.81 9.82 9.82 Coil resistance [ohm] 0.204 0.179 0.121 0.077 0.056 0.039
Input current [Arms] 4.65 5.41 6.71 8.48 10.26 12.21 Current density [Arms/mm2] 9.27 10.77 10.55 10.8 10.79 10.79 Teeth flux density [T] 1.35 1.45 1.45 1.45 1.45 1.45
Core loss [W]
Yoke 16.2 12.15 12.15 12.16 12.14 12.17 Teeth 12.68 10.4 10.39 10.4 10.39 10.41 Shoe 7.35 6.71 6.71 6.71 6.71 6.71 Rotor 0.1 0.1 0.15 0.11 0.1 0.1 Total 36.35 29.36 29.4 29.38 29.33 29.4 Copper loss [W] 13.31 15.82 17.09 16.8 17.73 17.7 Efficiency [%] 90.75 91.32 91.24 91.2 91.08 91.14
Coil mass [g] 83.8 50.4 53.43 53.29 54.23 55.32 Stator mass [g] 410.4 388.7 388.7 388.7 388.7 388.7
다음은 전류밀도 감소를 위해 점적율을 변경하여 권선 최적 설계를 진행하였 다. 점적율을 변경하게 되면 턴 수를 증가시킬 수 있어 전류를 감소시킬 수 있 다. 따라서 기존의 슬롯 면적을 증가시키기 위해 상대적으로 포화 자속밀도가 낮 은 Yoke 폭 (0.62[T])을 조절하였다. 그림 4-33에 점적율 확보를 위한 Yoke 폭 조절을 나타내었다. Yoke 폭은 5.5[mm]에서 4.7[mm]로 감소시켰다. Yoke 폭 0.8[mm] 감소로 인해 슬롯 면적은 150.67[m2]에서 168.37[m2]로 10.2[%] 증가하였 다. 표 4-11에 슬롯 면적 변경 전 권선 설계 사양을 나타내었다.
Yoke width
그림 4-33 점적율 확보를 위한 Yoke 폭 조절
Fig. 4-33 Yoke width design for slot fill factor securement
표 4-11 슬롯 면적 변경 전 권선 설계에 따른 점적율
Table 4-11 Slot fill factor according to the coil winding design of before changing slot area
Winding condition
Slot fill factor [%]
Coil diameter [mm] Number of turns
0.8 36 29.2
0.9 52 52.70
1.0 42 53.17
1.1 35 52.89
1.2 30 53.18
표 4-11에서 보는바와 같이 슬롯 면적을 변경하기 전에는 점적율이 50[%]이상 되는 것을 확인 할 수 있다. 점적율이 50[%]이상 되면 사실상 인슐레이터 절연 으로는 제작하기가 불가능하다. 표 4-12에 슬롯 면적 변경 후 권선 설계 사양을 나타내었다. 점적율이 47[%] 수준으로 감소되는 것을 확인할 수 있다. 점적율 47[%]로도 인슐레이터 절연을 하기에는 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 인슐 레이터 절연 방법 대신 코팅 절연방법을 적용한다. 코팅 절연방법에 대한 설명은 다음 장에서 언급하도록 한다. 표 4-13에 점적율 변경 권선 설계 결과를 나타내 었다.
점적율 변경 전보다 턴 수가 증가하여 전류밀도가 전기강판 모델에 대비 저감 되는 것을 확인하였다. 그 중 권선 외경 1.2[mm]인 모델이 가장 많이 저감되었 고 이는 전기강판 모델 대비 37.6[%] 저감되는 것을 확인하였다. 또한 점적율 변 경 전에 비해 46.4[%] 저감되는 것을 확인하였다. 이 때, 효율도 점적율 변경 전 보다 전체적으로 상승하는 것을 확인하였고, 권선 외경 1.2[mm]인 모델은 전기 강판 모델 대비 1.11[%] 상승함을 확인하였다. 따라서 전류밀도가 가장 낮은 권 선 외경 1.2[mm]인 모델을 최종 설계 모델로 결정하였다.
표 4-12 슬롯 면적 변경 후 권선 설계에 따른 점적율
Table 4-12 Slot fill factor according to the coil winding design of after changing slot area
Winding condition
Slot fill factor [%]
Coil diameter [mm] Number of turns
0.8 36 29.2
0.9 52 47.16
1.0 42 47.58
1.1 35 47.33
1.2 30 47.59
표 4-13 점적율 변경 권선 설계 결과
Table 4-13 Coil winding design results of changing slot fill factor
ESS
model SMC model
Coil diameter [mm] 0.8 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 Number of turns 36 36 52 42 35 30 Back EMF [Vrms] 47.11 42.43 60.77 49.09 40.9 34.75
THD [%] 4.41 9.81 9.50 9.51 9.50 10.0 Coil resistance [ohm] 0.204 0.179 0.216 0.141 0.103 0.074
Input current [Arms] 4.65 5.41 3.79 4.64 5.60 6.54 Current density [Arms/mm2] 9.27 10.77 5.96 5.91 5.89 5.78 Teeth flux density [T] 1.35 1.45 1.44 1.45 1.44 1.44
Core loss [W]
Yoke 16.20 12.15 12.48 12.30 12.40 12.41 Teeth 12.68 10.40 12.22 12.05 12.14 12.16 Shoe 7.35 6.71 6.71 6.65 6.69 6.69 Rotor 0.10 0.10 0.15 0.12 0.13 0.11 Total 36.35 29.36 31.41 31.12 31.36 31.37 Copper loss [W] 13.31 15.82 9.37 9.18 9.70 9.55
Efficiency [%] 90.75 91.32 91.89 91.95 91.84 91.86 Coil mass [g] 83.8 50.4 115.3 116.7 119.5 123.7 Stator mass [g] 410.4 388.7 369.3 369.3 369.3 369.3