[논문 리뷰] Analysis of fields in an air-cored superconducting synchronous motor with an HTS racetrack field winding

Di Hu, Jin Zou외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 15.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 레이스트랙형 고온 초전도체(HTS) 필드 권선을 갖는 공기 코어 고온 초전도체(HTS) 동기 모터의 자기장 분포를 분석하기 위해 분석 모델과 유한요소 해석(FEA) 모델을 제안한다. HTS 권선의 기하구조를 최적화함으로써 공기 간극의 자속 밀도를 더 정현파에 가깝게 만들 수 있었으며, 이는 고조파 왜곡을 감소시켜 모터 성능과 효율을 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

High temperature superconducting (HTS) synchronous motors can offer significant weight and size reductions, as well as improved efficiency, over conventional copper-wound machines due to the higher current density of high temperature superconducting (HTS) materials. In order to optimise the design parameters and performance of such a machine, this paper proposes a basic physical model of an air-cored HTS synchronous motor with a copper armature winding and HTS field winding. An analytical method for the field analysis in the synchronous motor is then presented, followed by a numerical finite element analysis (FEA) model to verify the analytical solution. The model is utilised to study the influence of the geometry of the HTS coils on the magnetic field at the armature winding, and geometrical parameter optimisation is carried out using this theoretical model to obtain a more sinusoidal magnetic field at the armature, which has a major influence on the performance of the motor.

연구 동기 및 목표

• 공기 코어 HTS 동기 모터에 대한 물리적 모델을 개발하고, HTS 레이스트랙 필드 권선과 구리 암페어 권선을 포함한다.
• 분석적 및 수치적 방법을 사용하여 모터 내의 자기장 분포를 분석한다.
• 암페어 권선에서 더 정현파에 가까운 자기장을 얻기 위해 HTS 권선의 기하구조를 최적화한다.
• 공기 간극 자속 밀도의 고조파 성분을 감소시켜 모터 성능에 직접적인 영향을 미치는 것을 목표로 한다.
• 고효율, 경량 HTS 동기 모터의 설계 지침을 제공한다.

제안 방법

• 자기벡터포텐셜과 앙페어의 법칙을 기반으로 한 분석 모델을 개발하여 모터 내의 자기장 분포를 계산한다.
• 동일한 기하구조와 재료 특성을 갖는 2차원 유한요소 해석(FEA) 모델을 사용하여 분석 해석의 정당성을 검증한다.
• HTS 필드 권선은 균일한 전류 밀도를 갖는 레이스트랙형 전류 루프로 모델링되어 초전도 권선을 나타낸다.
• 권선 폭, 높이, 위치와 같은 기하구조적 매개변수를 체계적으로 변화시켜 자속 균일성에 미치는 영향을 평가한다.
• 저차수 고조파를 최소화하는 데 중점을 두고, 정현파 성질을 평가하기 위해 고조파 분석을 통해 공기 간극 자속 밀도를 평가한다.
• 토크 생성에 필요한 충분한 자속 결합을 유지하면서도 고조파 왜곡을 최소화하는 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTS 레이스트랙 권선의 기하구조는 공기 간극 내 자기장의 공간 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 HTS 필드 권선의 기하구조 최적화를 통해 공기 간극 자속 밀도의 고조파 성분을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 유한요소 해석 결과와 비교할 때 분석 모델이 자기장을 예측하는 데 얼마나 정확한가?
• RQ4 공기 간극 내 자속 균일성에 가장 크게 영향을 미치는 주요 기하구조 매개변수는 무엇인가?
• RQ5 토크 생성에 필요한 자속 결합을 훼손하지 않고도 더 정현파에 가까운 공기 간극 자속 밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 분석 모델은 공기 코어 HTS 모터 내의 자기장 분포를 정확히 예측하며, FEA 결과와 양호한 일치를 보였다.
• HTS 레이스트랙 권선의 기하구조 최적화로 공기 간극 자속 밀도의 총 고조파 왜곡(THD)이 초도 설계 대비 최대 40% 감소하였다.
• 자속 정현파 성을 향상시키는 데 가장 영향을 미치는 매개변수는 권선의 높이와 공기 간극에 대한 레이어의 반경 방향 위치이다.
• 더 균일하고 정현파에 가까운 자속 분포는 토크 펄세이션을 감소시키고 모터 효율을 향상시킨다.
• 최적화된 설계는 효과적인 토크 생성에 필요한 충분한 자속 결합을 유지하면서도 고조파 손실을 최소화하였다.