- 1 -

중소기업 기술혁신개발사업 최종보고서

냉동 컨테이너 전원공급 장치용

급 발전기 개발20KW Brushless

년 월 일2003 3 31

주 관 기 업 대삼중전기

위탁연구기관 동아대학교

- 2 -

제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 냉동 컨테이너 전원공급 장치용 급 발전기 개발에 관“ 20 Brushless㎾

한 중소기업기술혁신개발 개발기간 과제의 최종보” ( : 2002. 4. 1 ~ 2003. 3. 31)

고서로 제출합니다.

년 월 일2003 5 30

주 관 기 업 : 대삼중전기

과 제 책 임 자 : 이 상 섭

위탁 연구 기관 : 동아대학교

- 3 -

요 약 서 초 록( )

과 제 명

냉동 컨테이너 전원공급 장치용 급 발전기 개발20 Brushless㎾

영문( Development of 20 class Brushless Generator for the㎾

Power Supply of Refrigerator Container)

주 관 기 업 대 삼 중 전 기 총괄책임자 이 상 섭

개 발 기 간 년 월 일 년 월 일 개월2002 4 1 ~ 2003 3 31 (12 )

총개발사업비

천 원( )

정부출연금 80,000

총개발사업비 천원112,972( )기업부담금

현금 18,932

현물 14,040

위탁연구기관 동 아 대 학 교

주요기술용어

개(6~10 )자여자 방식 동기제어방식 발전기 회전기 교류, Brushless, , , ,

기술개발목표1.

냉동 컨테이너 전원공급 장치용 급 발전기 설계 및 제작20 Brushless type㎾

기술개발의 목적 및 중요성2.

본 연구는 단위 냉동화물 뿐만 아니라 온도 변화에 민감한 화물이나 일정한 온

도가 필요한 화물 식료품 전자부품 수송용 컨테이너의 냉동용 전원 공급( , Film , )

장치용으로 브러시가 없는 브러시리스 발전기를 개발이 중요하다

이에 본 연구에서는 내륙운송에 주로 이용되는 냉동 냉장 컨테이너 트레일러에( )

사용되는 소형 고성능 냉장기로서 사용되는 급 컨테이너 전원공급 장치용20㎾

발전기 개발과 중요 핵심 기술인 발전기의 설계 및 해석 기술 및 제brushless

작기술을 확보하는 데 목적이 있다.

- 4 -

기술개발의 내용 및 범위3.

브러시리스 발전기의 이론적 접근 방법으로 통한 설계 및 해석 기술 확립(1)

유한 요소법을 이용한 발전기의 전자기 해석 및 분석(2)

발전기의 성능 특성 해석(3) Brushless

발전기의 성능 특성 실험 장치 제작(4)

설계완성 및 시작품 제작(5)

기술개발 결과4.

정격전압 주파수 정격출력 회전속도 인 소형 고성능460V, 60 , 20 , 1800rpm㎐ ㎾

냉장기에 사용될 급 컨테이너 냉장용 발전기인 브러시리스 발전기를 성공적20㎾

으로 개발함으로 기존 발전기 대비 효율 와 원가 절감 을 달성하였다5% 15% .

기대효과5.

유지 보수의 간단화 및 의 원가 절감으로 물류업체의 시간적 경제적(1) , 15% ,

이익을 얻게 됨.

고효율 발전기의 국산화 개발로 수입 대체 효과에 의한 외화절감(2)

중요 핵심 기술인 설계 및 해석 기술 개발로 자체 기술력 향상과 경쟁력 확(3)

보.

발전기 전문 회사로 기반 확립 및 우수 제품을 생산하여 경쟁력과 신뢰성을(4)

인정받아 해외로 수출하여 외화 획득.

- 5 -

시제품 사진

- 6 -

목 차

제출문

요약서

제 장 서론1

제 절 개발대상기술 또는 제품 의 개요1 ( )

제 절 연구 개발 내용 및 목표2

제 절 사업 추진 현황3

제 장 동기 발전기의 구조 및 동작 원리2

제 절 브러시레스 발전기의 구조1

제 절 동기 발전기의 기본 이론2

제 절 발전기 설계 방법3

제 장 발전기 설계 및 특성 해석3

제 절 발전기 사양 및 설계 치수1

제 절 발전기 특성 해석 및 분석2

제 절 발전기 시작기 및 특성 실험3

제 절 발전기 시험 결과4

- 7 -

제 장 결론4

참고문헌

- 8 -

제 장 서론1

제 절 개발대상기술 또는 제품 의 개요1 ( )

급변하는 물류환경에서 증가하는 수출입 화물을 처리하기 위해서 내륙운송의 중요

성이 대두 되고 있다 물류 운송비 절감과 화물의 다변화를 통한 냉동 냉장 화물의.

운송에 부응하는 를 제공하기 위해 컨테이너 트레일러에HIGH QUALITY SERVICE

장착하여 사용할 수 있는 발전기 개발이 시급한 실정이다 우리나라의 경우 대부분.

수입에 의존하고 있어서 기술축적이 전무한 상태이기 때문에 이것에 관한 연구가

필요하다.

본 연구에서는 내륙운송에 주로 이용되는 냉동 냉장 컨테이너 트레일러에 사용되( )

는 소형 고성능 냉장기로서 사용되는 급 컨테이너 전원공급 장치용20 brushless㎾

발전기 개발을 목적으로 한다 이것을 개발함으로써 단위 냉동화물 뿐만 아니라 온.

도 변화에 민감한 화물이나 일정한 온도가 필요한 화물 식료품 전자부품 에( , Film, )

주로 이용될 수 있으며 물품의 신뢰성 확보를 하게 되어 간접적으로 수출입 화물,

의 원활한 수송을 할 수 있게 되어 국가 경쟁력을 갖추게 된다.

그리고 지금까지 수입에만 의존했던 냉장용 발전기를 국산화함으로써 수입 대체효,

과와 관련기술의 국제경쟁력 강화 기술축적과 함께 부수적으로 발전기 수출도 할,

수 있는 계기가 될 수 있으며 고 부가가치를 창출을 할 수 있는 전략적인 산업 분,

야가 될 수 있다.

본 연구에서 개발하고자 하는 브러시레스 발전기는 소형 고성능 냉장기에 사용될

급 컨테이너 냉장용 발전기로 자여자 형 인20 Brushless 460V 60 AC Generator㎾ ㎐

이다 이 발전기는 브러시레스 자여자 방식 채용으로 발전기 자체의 고장이 매우.

적으므로 반영구적인 수명을 보장한다.

이상에서 본 연구에서 개발하고자 하는 급 컨테이너 전원장치용 발전기의 사양20㎾

에 만족하는 요구사항으로는 부하변화에 따른 전압 변동율과 파형율이 좋아야 한

다 또한 컨테이너 냉장을 위해 차상에 장착되어야 함으로 성능과 구조적으로 소. ,

형 경량화와 고효율이 요구되며 내구성 내열성등이 요구된다, , , .

본 연구에서 개발하고자 하는 기술은 발전기의 여자기와 발전기의 고정자 및 계자

코일 및 정류부로 분류할 수 있으며 부하 변화에 따른 전압 변동의 최소 및 자여자

방식의 여자부 설계 및 해석에 대한 기술 개발이 요구된다.

- 9 -

제 절 연구 개발 내용 및 목표2

연구 개발 내용1.

가 발전기 기본적인 설계 및 해석방법 구현.

발전기의 전압 변동률 파형율 단락비 임피던스 계산- , , ,

전기장하와 자기장하 분배법에 의한 기하학적 치수 설계-

나 유한요소법을 이용한 발전기의 전자기 해석 및 분석.

유한요소법에 의한 자기회로 설계 및 해석 자속밀도 계산 유기전압 계산- ( , )

발전기 여자기의 자기 특성 해석- ,

다 발전기의 성능 특성 해석. Brushless

발전기의 등가회로 파라메터 계산-

정상상태 과도상태 특성 해석- ,

부하변화에 따른 특성 해석-

기하학적 치수 변화에 따른 특성 해석-

라 발전기의 성능 특성 실험 장치 제작.

발전기의 특성 실험 장치 설계-

발전기의 기초 성능 실험-

실 부하 운전 실험-

계측 및 성능 특성 분석-DATA

마 설계완성 및 시작품 제작.

발전기 여자기의 고정자 및 회전자 제작- ,

회전축 및 프레임 설계 및 제작-

정류부 설계 및 제작-

컨테이너 전용 발전기 시스템의 구현 및 문제점 파악-

연구 개발 목표2.

냉동 컨테이너 전원공급용 자여자 발전기 개발Brushless

사양 정격전압 주파수 정격출력 회전속도: 460 V, 60 , 20 , 1800rpm㎐ ㎾

- 10 -

제 절 사업 추진 현황3

- 11 -

제 장 동기 발전기의 구조 및 동작 원리2

제 절 브러시레스 발전기의 구조1 (brushless)

동기발전기에서는 회전자 권선에 직류가 인가되면 회전자 자계가 발생한다 발전기.

의 회전자는 외부의 원동기에 의해 회전되고 기계의 내부에 회전 자계를 발생시킨,

다 이 회전 자계는 발전기의 고정자 권선에 상전압을 유기한다. 3 .

기계의 권선을 표현하는 용어는 계자 권선 과 전기자 권선(field winding) (armature

이 있다 일반적으로 계자 권선은 기기의 주자속을 발생하는 곳이고 전기winding) .

자 권선은 주전압이 유기되는 곳이다 동기기에서 계자 권선은 회전자에 있고 그래. ,

서 회전자 권선과 계자 권선의 용어는 서로 혼용하여 사용할 수 있다 비슷하게 고.

정자 권선과 전기자 권선도 같다.

회전자는 주로 자계의 변화에 영향을 받으므로 와류손의 감소를 위해 적층 구조로

되어 있다 회전자가 회전하기 때문에 권선에 직류를 공급하기 위해 특별한 장치가.

필요하다.

브러시레스 발전기는 발전기에 연결된 회전전기자형 동기발전기 등과 동일 회전축

상에 부착 되어진 정류기로 구성되며 슬립링을 사용하지 않고 직접 발전기의 계자

권선에 전류를 공급하는 방식의 발전기이다.

여자발전기의 상 출력은 발전기축에 위치한 상 정류기에 의해 정류되어 주여자기3 3

에 공급 된다 여자발전기의 작은 직류여자전류를 제어함으로써 슬립링과 브러쉬없

이 주 기기에 여자전류를 제어하는 것이 가능하다 회전자와 고정자 사이에 기계적

인 연결이 없기 때문에 브러쉬 없는 여자기는 슬립링과 브러시보다 유지비가 적다.

브레시레스 발전방식은 그림 과 같이 회전 전기자형 교류여자 발전기로서 발생2.1

교류전원을 반도체 정류기로 정류하여 교류발전기의 여자 권선에 직류 여자하는 것

이다 여자전류의 조정은 교류여자기의 여자회로의 가변저항으로 행하며 점선으로. ,

포위된 부분이 한 덩어리가 되어 회전한다 최근에는 수만 의 발전기도 이 여. [kVA]

자방식으로 되어 있는 것이 있다 직류 여자기의 정류자 및 브러시가 필요 없으므.

로 운전이 용이하다는 장점이 있다.

그림 발전기 구조2.1 Brushless

- 12 -

제 절 동기 발전기의 기본 원리2

전기자 반작용과 동기 임피던스1 .

상 동기발전기의 전기자 권선에 평형 상 교류전류가 흐르면 유도전동기의 경우와3 3

같이 동기속도로 회전하는 회전자계가 생긴다 이 회전자계는 자극과 항상 일정한.

관계위치를 유지하면서 회전하고 대부분은 직접 계자의 기자력에 영향을 미쳐서,

전기자의 유도기전력을 변화시키고 일부는 전기자 권선과 쇄교하는 자속만을 만든

다 전기자 전류의 작용을 이와 같이 둘로 나누어서 앞의 작용을 전기자 반작용.

이라 하고 뒤에 말한 작용을 전기자 누설 리액턴스(armature reaction) (armature

라고 한다leakage reactance) .

동기 발전기의 전기자 반작용은 전기자 전류의 크기는 물론 유도기전력과 전기자

전류의 위상관계 즉 최대전류를 통하고 있는 코일의 코일축과 자극 중심이 이루는,

각도에 따라 현저하게 달라진다.

철극기에서 자극편 부분의 공극은 적고 자기저항이 낮으나 그 밖의 부분에서는 자

기저항이 현저하게 높다 이와 같은 자기회로에 대한 전기자 반작용을 그림 와. 2.2

같이 전기자 기자력 𝐹𝑎를 자축방향으로 작용하는 직축분 𝐹𝑑와 이에 직각인 방향,

즉 중성축의 방향으로 작용하는 횡축분 𝐹𝑑로 나누어 생각하자 이와 같은 방법을.

반작용 이론이라고 한다2 .

그림 전류의 직축분과 횡축분2.2

무부하 유도 기전력 과 전기자 전류 의 위상차를 라고 하면￠𝐸₀ 𝐼 𝐹𝑎는 에𝐼

𝐹𝑑는 에sin ,𝐼 𝜙 𝐹𝑞는 에 각각 비례한다 직축분cos .𝐼 𝜙 𝐹𝑑가 작용하는 부분은

주로 자극편에 대한 부분이며 그림 의 와 같이 감자작용이 생긴다 이것을, 2.3 (a) .

계자 기자력으로 환산하기 위하여 퓨리에 급수로 전개해서 이의 기본파를 취하고,

이에 따라 생기는 자속 Bdl에 의하여 전기자 권선에 유도되는 기전력을 𝐸𝑑라 하면

다음과 같이 표시된다.

- 13 -

단, 는 비례정수.

횡축분 𝐹𝑞에 의한 자속의 분포는 자기회로의 영항으로 그림 의2.3(b) 𝐵𝑞와 같이

되나 이것은 제 고조파를 많이 함유하는 파형이다 이 기본파3 . Bq1을 취하고 Bq1에

의하여 전기자 권선에 유도되는 기전력을 𝐸𝑞라 하면 다음과 같이 표시된다.

단, 는 비례상수.

그림 전기자 기자력의 분해2.3

- 14 -

단자전압을 전기자 전류를 위상차를 라 하면, ,𝑉 𝐼 𝜑 에 을 가한

가 내부 기전력이 된다 또. , 에 전기자 자속에 의한 기전력 와 를 가

한 것이 무부하 유도 기전력 가 되어서 그림 와 같이 된다 전기자 기전력의2.4 .

직축분 에 의한 자속 𝛷d에 따라 기전력 는 보다. 늦고 횡축분

에 의한 자속 𝛷d에 따라 기전력 는 보다. 늦으며 는 계자 기

자력 보다. 만큼 늦은 위상에 있다.

그림 철극 발전기의 벡터도2.4

무부하 유도 기전력과 부하각2.

벡터도에서

이와 같이 동기임피던스 𝑍s를 사용하면 특별히 전기자 반작용을 나누어서 별개로

생각할 필요가 없으므로 외부회로에 대한 발전기의 취급이 대단히 간단하게 된다, .

벡터도에서 및 의 값을 구하면𝐸₀ 𝞭

- 15 -

앞선 역률인 경우에는 식 에서 를 또 역룰이 인 경우에는(2.5) sin -sin , 1𝜑 𝜑

으로 하면 된다cos = 1, sin =0 .𝜑 𝜑

특성곡선3.

가 무부하포화곡선. ( )無負倚館和曲線

발전기를 무부하상태에서 정격속도로 운전하고 계자전류를 에서 천천히 증가시킨0

경우의 유도기전력 와 계자전류[ ]𝑉₀ 𝑉 𝐼𝑓 의 관계를 나타내는 곡선을 무부하[ ]𝐴

포화곡선이라고 한다 그림 의 은 이 곡선을 나타낸 것이며 전압이 낮은 곳. 2.5 ,𝑂𝑀

에서 는𝑉₀ 𝐼𝑓에 거의 비례하나 전압이 상승함에 따라 철심부가 포화하고 자기저

항 이 증가하므로 일정한 전압을 유도하는 데 필요한 계자전류가 증가한( ) ,磁氣紙抗

다.

그림 무부화포화곡선 및 포화계수2.5

포화의 정도를 표시하는 데 포화계수 가 사용된다(saturation coefficient) .𝞂

무부하포화곡선상에 점 를 정격전압𝑐 𝑉𝑛 를 배 취하고 점 에 횡축으로[ ] 1.2 ,𝑉 𝑐

평행선을 긋고 종축과의 교점을 로 한다 다음에 점 에서 곡선 으로 접선.𝑏 𝑂 𝑂𝑀

을 그어서 선 와의 교점을 라 하면 포화계수는𝑏𝑐 𝑐 이다.

나 삼상단락곡선. ( )三相短絡曲線

동기발전기의 중성점을 제외한 모든 단자를 단락해 두고 정격속도로 운전하여 계,

자전류 𝐼𝑓 를 천천히 증가시킨 경우의 단락전류[ ]𝐴 𝐼𝑠 와[ ]𝐴 𝐼𝑓 의 관계를[ ]𝐴

표시하는 곡선을 상단락곡선이라고 한다 그림 의 곡선 는 이를 나타낸3 . 2.6 𝑂𝑆

것이며 거의 직선이다.

- 16 -

단락할 때에 전기자회로는 ra<𝒙s 이기 때문에 이때 흐르는 전류는 전압보다 위상,

이 뒤진 전류이다 따라서 이 전기자 반작용은 감자작용 이기 때문에90° . , ( )減磁作用

실제로 존재하는 자속은 대단히 적고 자기회로는 불포화 의 상태에 있다, ( ) .不館和

이렇기 때문에 단락곡선은 거의 직선이 된다.

그림 동기임피던스와 단락비2.6

다 단락비 와 동기 임피던스. ( It:) ( )短絡 同期

단락비(1) ( )短絡比

그림 의 곡선 은 무부하포화곡선 곡선 는 단락곡선이다 정격속도에서2.6 , .𝑂𝑀 𝑂𝑆

무부하정격전압 𝑉n 그림의 를 발생시키는 데 필요한 계자전류[ ]( )𝑉 𝑏𝑐 𝐼𝑓 그[ ](𝐴

림의 와 정격전류)𝑂𝑑 𝐼𝑛 그림의 와 같은 영구단락 전류를 통하는 데[ ]( )𝐴 𝑒𝑔

요하는 계자전류 𝐼𝑓 그림의 와의 비를 단락비 라고 하[ ]( ) (short circuit ratio)𝐴 𝑂𝑒

며 동기기의 중요한 특성상수의 한 가지이다, .

단락비 𝐾𝑠의 값은 수차 및 엔진발전기에서 터빈 발전기에서는0.9-1.2, 0.6~1.0

의 값을 가진다.

- 17 -

동기 임피던스(2) ( )同期

영구단락전류 𝐼s 는 상의 유도기전력[ ] 1𝐴 𝐸0 를 상의 동기임피던스[ ] 1𝑉 𝑍s[ ]𝞨

으로 나눈 것이기 때문에 이 된다.

그림 에서 같은 계자전류에 대한 상전압2.6 𝐸0와 단락전류 𝐼s의 비에서 𝑍s를 구

하면 곡선 jhk와 같이 되어서 그 값은 일정한 것이 아니고 계자전류, 𝐼𝒇 의 값이

증가함에 따라 자기회로의 포화상태로 인한 𝑍s 는 다르게 되는 것을 알 수 있다.

그리하여 일반적으로 동기임피던스라는 것은 정격상전압 𝐸n 성형결선일 때에[ ](𝑉

는 와 이) 𝐸n 을 유도하는데 필요한 것이 계자전류일 때의 상단락전류3

𝐼s 와의 비로 하여 구해진다 즉[ ] . ,𝐴

𝑍s는 편의상 으로 표시하지 않고 정격전류[ ] ,𝞨 𝐼n 에 대한 임피던스강하

𝑍s𝐼n 와 정격상전압[ ]𝑉 𝐸n 의 비에 대한 로 표시하는 일이 많다 이것을[ ] [%] .𝑉

동기임피던스라고 한다% .

또는 으로도 표시하는데 이것은 𝑍s𝐼n 정격상전압 𝐸n을 로1

할 때의 비를 뜻하며 단위법 으로 표시한다[per unit] .

동기임피던스와 단락비의 관계(3) % ( )關係

그림 에서2.6 이기 때문에 동기임피던스% 𝑍s 는

- 18 -

위식에서 동기임피던스, % 𝑍s는 단락비 𝐾s의 역수를 퍼센트로 표시한 것과 같다.

단위법으로 표시한 𝑍s 는 이다.

단락비와 다른 특성과의 관계(4)

𝐾s 와 𝑍s사이에는 위식에 의해 단락비가 큰 기계는 동기임피던스가 작고 전기자

반작용이 작은 것을 의미한다 즉 공극이 크고 계자자속이 크며 기전력을 유도하는.

데 요하는 계자 전류가 커지기 때문에 기계의 중량이 무겁고 가격도 비싸진다 철.(

기계라고도 한다.)

그러나 기계에 여유가 있고 전압변동률이 적으며 과부하내량 이 크고, ( )過負倚耐量

장거리 송전선로를 충전하는 경우에 적합하다 특히 선로충전용량이 큰 것을 요구.

하는 경우에는 𝐾s를 정도로 취한 것도 있다1.5~1.8 .

반대로 단락비가 작은 기계는 전기자 전류에 의한 기자력이 크므로 동기계( )銅機械

라고 한다.

라 부하포화곡선.

발전기를 정격속도로 운전하고 일정한 역률과 일정한 전류의 부하를 건 경우에 이, ,

의 단자전압과 계자전류의 관계를 표시하는 곡선을 부하포화곡선 이라고 하며 정,

격전류와 일정한 역률에 대한 것은 그 역률에 대한 전부하포화곡선이라고 한다 그.

림 은 이 곡선의 예를 나타낸 것이며2.7 𝐿b,𝐿c,𝐿o는 각각 역률이 과 뒤진 역1.0

률 및 인 경우의 전부하포화 곡선이다 따라서 같은 계자전류에 대한 단자0.8 0 . ,

전압의 강하는 역률이 낮을수록 크다.

전부하 포화곡선을 알고 있으면 이 곡선과 무부하 포화 곡선에서 전압 변동률을,

계산 할 수 있다.

그림 부하포화곡선2.7

- 19 -

마 외부특성곡선.

발전기를 정격속도로 운전하고 지정한 역률의 정격 전류가 흐를 때 정격 전압이,

유기되도록 계자 전류를 정하고 계자 전류를 그대로 유지하면서 부하 전류를 바꿀,

때의 단자 전압과 부하 전류의 관계를 나타내는 곡선을 외부특성곡선이라고 한다.

이 곡선은 그림 과 같이 뒤진 역률의 경우 곡선 에는 부하가 증가하면서 단자2.8 , ( 1)

전압은 현저하게 내려가고 앞선 역률의 경우 곡선 에는 단자전압이 상승한다 또( 3) . ,

역률 의 경우 곡선 에는 단자전압이 내려가나 그 정도는 얼마 안 된다1 ( 2) .

그림 외부특성곡선 바 자기여자2.8 .

바 자기여자.

정전용량 에서 주파수 의 교류전압 를 가하면 다음과 같은 앞[ ] [ ] [ ] ,㎐𝐶 𝐹 𝑓 𝑉 𝑉

선 전류 𝐼c 가 흐른다[ ] .𝐴

전류를 횡축에 전압을 종축에 취하여 이 관계를 나타내면 그림 의 곡선 와, , 2.9 ( )𝑎

같은 충전특성곡선이 된다.

동기발전기를 여자하지 않고 동기속도로 회전하며 이것에 정전용랑부하를 접속하,

면 발전기에는 잔류자기에 의하여 대단히 낮은 기전력이 유도되며 이 기전력에 의,

해 정전용량을 충전하는 앞선 전류가 흐른다 이 전류에 의한 전기자 반작용은 자.

화작용을 하고 발전기의 누설 리액턴스의 작용과 서로 마주쳐서 전기자기전력을,

상승시킨다 그러면 충전전류는 다시 증대하고 발전기는 이 전류에 의하여 여자되. ,

어서 다시 큰 기전력을 유도한다.

- 20 -

이것을 반복하면 결국에 전기자기전력은 그림 의 곡선 와 같이 상승하고 어2.9 (b) ,

떤 극한값에 도달해서 안정을 유지한다 이 극한값은 그림의 충전특성곡선. 𝑂𝑎와

앞선 전류에 의하여 여자된 발전기의 포화곡선 와의 교점 에 상당하는 전압𝑂𝑏 𝑀

이다 점 은 정전용량 의 대소에 따라 변화하는데 정전용량이 매우 커서 의. 𝑀 𝐶 𝑀

전압이 발전기의 정격전압보다 현저하게 높으면 절연을 파괴할 염려가 있다 이러. .

한 현상을 동기발전기의 자기여자의 현상이라고 한다.

충전 특성 곡선a:앞선 전기자전류에 의하여b:

여자되는 발전기의 포화곡선

그림 용량부하에 대한 특성2.9

사 전압변동률.

발전기의 전압변동률이란 여자 및 속도를 변경하지 않고 정격역률에 대한 정격출,

력에서 무부하로 하였을 때의 전압변동비율을 말하며 이것을 정격전압의 백분율로

표시하고 있다.

지금 정격단자전압을 𝑉n 정격출력에서 무부하로 하였을 때의 단자전압을[ ],𝑉

𝐸0 라 하면 전압변동률은 다음 식으로 표시된다[ ] .𝑉

이 전압변동률은 부하의 역률에 따라 변화하는데 그림 에서 뒤진 역률인 경우에2.7

전압변동률은 값 이고 앞선 역률인 경우에는 값 이다+ ( > ) - ( < ) .𝐸₀ 𝑉 𝐸₀ 𝑉

- 21 -

동기기의 단락현상4.

가 지속단락.

상 발전기의 각 상을 단락시키고 계자전류3 , 𝐼𝑓를 에서부터 점점 증가해 나가면0

전기자에는 지속단락전류 𝐼s가 흐른다. 𝐼𝑓와 𝐼s의 관계는 거의 직선이 된다.

나 돌발단락.

평형 상 전압을 유도하고 있는 발전기의 단자를 갑자기 단락하면 큰 과도전류가3 3

흐른 후 점점 감쇠하여 몇 초 뒤에는 지속단자전류의 값으로 된다 이런 상태는 그.

림 과 같이 된다2.10 .

이것은 전기자 반작용이 순간적으로는 나타나지 않기 때문에 단락하는 순간 단락,

전류를 제한하는 것은 전기자 권선의 저항을 무시한 전기자 누설리액턴스 뿐이𝑥𝖎

므로 대단히 큰 과도 전류가 생긴다 또 몇초 뒤에는 전기자 반작용이 나타나서 과, .

도전류는 급속히 감쇠하고 결국에는 동기리액턴스에 의하여 정해지는 지속단락전류

로 된다.

그림 발전기의 돌발단락 전류2.10

𝑥a를 전기자 반작용 리액턴스, 𝑥i를 전기자 누설리액턴스 𝑥𝑓를 계자누설리액턴

스, 𝑥d를 제동권선의 리액턴스라고 하면,

𝑥s 동기리액턴스= = 𝑥a + 𝑥i

𝑥s 과도리액턴스= = 𝑥i + 𝑥𝑓

𝑥s 초기과도리액턴스= = 𝑥i + 𝑥d

여기서 𝑥s > 𝑥s >′ 𝑥s 의 관계가 있다.″

- 22 -

제 절 발전기 설계 방법3

주요치수 결정1 .

교류발전기도 직류기 그 외의 회전전기 기계와 같은 방법으로 치수를 결정할 수 있

다 교류 발전기 고정자 안지름을 철심길이를. ,𝐷 𝐿c로 할 때 주어진 정격사항에서

𝐷2 𝐿c의 값을 구 하고 이 값에서, ,𝐷 𝐿c를 구하도록 한다.

유기전압의 식은 다음 식 와 같다(2.12) .

출력 는KVA

여기서 은 상수 는 한상의 전류이다, .𝑚 𝐼

상교류발전기에 있어서 전 원주의 암페어 도체수 이다3 =3IZ= Dac .π

위 식 에서(2.13)

또 매극 자속수 는𝜙

여기서

𝐵𝑔 : 공극자속밀도 [ / ]㏝ ㎡𝜙 : 자극호 극간격/𝑃 : 극수𝐿𝖈 : 덕트 를 포함한 철심길이(duct) [ ]㎝

주파수 는𝑓

- 23 -

매분회전수: [𝑛 rpm]

식 에서 의 값 의 값을 구하여 식 에 대입하여 의 값을(2.15), (2.16) . (2.12)𝜙 𝑓 𝐸

구한 다 이 의 값과 식 를 식 에 대입하면. (2.14) (2.13)𝐸

로 된다.

라 하면

로 된다 또.

의 값은 식 으로 표시되고 출력계수라 칭한다(2.20) , .𝐾₀이 출력계수에 따라서 발전기의 크기를 결정한다.

엔진발전기에 있어서는 속도상승율은 낮으므로 출력계수에서 구한 것으로도 쓴다.

이 경우에도 플라이휠 효과가 요구되는 것이 있으므로 그 때는 플라이휠 효과부터

결정할 수 있다 출력계수로부터 직경을 구하는 경우는 다음과 같이 한다. .

먼저 을 구하고 이 값에 대한 출력계수 를 구한다 또.𝐾₀ 의 값을 그림

에서 구한다 여기서 는 극간격이다2.11 . .𝞽

- 24 -

로 되어 가 구해진다.𝐷

그림 2.11 와 극수와의 관계

𝐿c의 값은 가장 자속밀도가 높은 치 부분의 치수를 적당히 되도록 해서 철심길이

𝐿c를 정한다 따라서 도체수를 결정한 후. 𝐿c의 값을 정확히 정하는 것이 된다.

도체수의 결정2.

도체수를 결정하는 것은 설계로서는 근본을 결정하는 것이 된다 특히 이 결정에.

따라서 특성 등에 크게 영항이 미치므로 신중을 요한다 도체수를 구하는데는 보통.

두가지 방법이 있다 자속수를 먼저 구하고 이것에 따라서 도체수를 구하는 방법과.

암페어 도체수를 구하여 이것에서 도체수를 구하는 두 방법이 있다.

교류발전기에 있어서 출력을 자극수를 라 하고 주파수를 라 하면[KVA]. 𝑃 𝑓

와 자속수 𝞍와의 관계에서 자속수를 구할 수 있다.

자속수가 구해지면 매상의 도체수 가 구해진다Z .

또 공극자속밀도, 𝐵g부터 자속수를 구할 수 있고 암페어 도체수부터 구하는 경우,

는 먼저 직경 를 구한다 고정자 주변의 당의 암페어 도체수 는 대체로. 1cm𝐷 𝑎𝑐

출력에 따라서 정해져 있다.

- 25 -

슬롯 선정3.

슬롯수를 선정하는 경우에는 를 구하는 것과 함께 생각하여 선정한다 매극 매상.𝑍

의 슬롯수를 정수로 하느냐 분수로 하느냐는 생각할 필요가 있다 만일 정수로 하, .

는 경우는 슬롯수는 용량과 전압에 따라 다르지만 매극 매상 로 고른다 공극2~4 .

이 비교적 큰 발전기에서는 파형이 좋게 되지만 적은 발전기에서는 슬롯수가 적으,

면 파형이 나쁘게 되므로 분수홈권으로 하는 경우가 많다.

또 대용량으로 되면 고정자를 두 개 혹은 그 이상으로 분할할 수 있다 이 같은 경.

우 분수홈권을 쓰면 슬롯수가 홀수로 되지만 짝수를 고르는 편이 좋다.

공극길이의 선정4.

교류발전기에 있어서 공극은 자극의 중심이 최소로 되고 자극편의 양쪽의 부분을

크게 하여 자속분포가 좋게 되도록 만든다.

공극을 구하는 방법은 그림 와 같이 을 중심으로 하여 회전자의 반경 로2.12 𝑂 𝑅

원을 그리고 다시 를 중심으로 의 반경으로 원을 그려 자극호의 각도, ,𝑂 𝑅 의

사이에 자극호를 그린다.

교류발전기에서는 시방서에 단락비 가 정해져 있는 경우가 있다( ) .短絡比

이와 같은 경우에는 역으로 단락비에서 의 값을 구하게 된다 단락비에서 공극의.𝛿

크기를 구하는데는 먼저 직축 암페어횟수에 대한 등가계자암페어횟수 ATa를 다음

식에서 구한다.

여기서

𝑚 : 상수

𝐾d : 분포계수

𝐾p : 단절계수

𝐾a :

A1은 계자암페어횟수에 따라서 생기는 자속분포의 기본파의 파고치, Ad1은 직축반

작용에 의한 자속분포의 기본파의 파고치를 나타낸다. Ka의 값은 자극의 모양에서

구할 수 있다.

- 26 -

그림 자극호를 그리는 방법2.12

식 는 전기자반작용의 암페어횟수를 계자암페어횟수로 치환한 것으로서(2.23) 𝐾𝑑

가 치환하기 위한 계수가 되어 있다.

동기임피이던스에 상당하는 암페어횟수 ATs는

여기서

ATg : 공극암페어횟수[AT]𝑥𝑙 : 전기자 누설 리액턴스

이 때

Ks를 동기임피던스계수라 칭한다.

ATa에서 그것에 상당하는 ATs를 구할 수 있다 공극 암페어 횟수는.

- 27 -

여기서 는 포화계수이다 이로부터. ATσ g가 계산된다.

카터계수 는 동기기나 직류기 등의 슬롯이 있는 기계에 사용하는 계수이고 슬롯𝐶

때문에 공극이 증가한 것과 같은 결과로 되기 때문에 곱해 주는 계수이다.

고정자 도체의 단면 치수5.

고정자의 슬롯에 들어가는 도체의 치수는 전류밀도를 대략 가정하고 이것에 따라

정한다 저압 소용량의 발전기에서 전류밀도는 정도로 취하고 환선. 3.5~4.5[A/ ] ,㎟

또는 평각선이 쓰인다 이상의 발전기로 되면 로 취하고 평각. 3,300V 2.2~3.5A/ ] ,㎟

선이 쓰인다 평각선으로 코일을 만드는 경우에는 긴 쪽의 면이 겹쳐지게 코일을.

만든다.

자기회로의 계산6.

고정자 권선이 결정되면 매극 자속수가 결정되므로 이로부터 자기회로의 계산이,

가능해진다 계자권선의 암페어횟수에 따라서 발생한 자속은 자기회로를 지난다 자. .

극에서 누설자속이 생긴다 지금.

𝞍t : 전 자속𝞍 : 전 회로를 통과하는 자속𝞍l : 누설자속

라 하면

는 누설계수라 한다.𝜐

계자암페어횟수가 증가되고 여자기 용량이 증가한다면 손실이 증가하고 효율이 나, ,

빠진다 자기회로의 길이는 단면적의 중앙을 통과하고 있는 것으로서 계산한다. .

자기회로의 각 부분의 길이와 자속밀도를 알면 무부하에 있어서 암페어횟수를 계산

할 수 있다.

- 28 -

치의 암페어횟수를 구하려면 치의 좁은 쪽부터 부분의 치의 폭 부분의 자속b

밀도에서 구하며 근사적으로 암페어횟수를 구할 수 있다 또 치의 암페어횟수는 자.

속밀도를 직류기와 같이 높게 취하지 않기 때문에 겉보기의 자속밀도가 실제의 것

과 같다고 보고 계산해도 좋다 계철의 암페어횟수는 대개의 경우 무시할 수 있는.

정도로 적다.

고정자 철심길이7.

고정자의 철심길이는 치 부분의 자속밀도에서 구한다.

치의 자속밀도는

도 된다 이. Ln 의 값은 고정자 유효철심길이이다.

점적율을 계산에 넣은 철심길이 Lg 는

여기서 점적율은 라 한다0.9 .

Lc를 덕트를 포합한 실제의 철심길이라 한다.

여기서

양끝의 덕트를 제외한 철심 내부의 덕트의 수=𝑛

덕트의 폭= [ ]㎝𝑑

보통 d 의 값은 소용량에서는 대용량에서는 로 한다1.0[ ], 1.3[ ] .㎝ ㎝

식 에 있어서(2.29) Bt를 알면, Ln 의 한도의 값을 구할 수 있다 따라서. Lg 한도의

값도 구할 수 있다.

- 29 -

자극과 계자권선의 설계8.

전부하에 있어서 암페어횟수를 구하는 데는 다음과 같이 한다.

전기자의 동기 임피이던스 강하에 요하는 암페어횟수를 ATz 로 표시하면

ATa 전기자반작용에 의한 암페어횟수:

ATg 공극암페어횟수:

ATa 와 식 의(2.32) ATg에서 임의의 역률에 있어서 계자암페어횟수를 구하면 식

의(2.33) 𝑖1,𝑖2의 대신 ATa, ATg 을 넣으면 식 와 같이 된다(2.34) .

여기서 𝑖1은 무부하포화 곡선상에서 에 상당하는 계자전류이고, 𝑖2 는

단락곡선상에서 에 상당하는 계자전류이다 이 암페어턴수를 낼 수 있는 계자권선| .

을 설계하면 된다.

계자권선을 설계하는 데는 먼저 회의 평균길이를 구할 필요가 있다 평균길이1 . 𝑙𝑓

는 그림 와 같이 각선을 단으로 감는 경우는 다음과 같이 된다2.13(a) .

총평균을 𝑙𝑓라 하면

그림 의 경우는2.13(b)

로 된다 또 도의 경우의. (b) d1의 값은 용량이 크게 됨에 따라서 크게 되지만 너무

크게 되면 계자권선의 온도상승이 높아진다.

𝑙𝑓, ATpf가 구해지면 다음에는 계자권선의 계산이 쉽게 된다 계자권선의 도체단면.

적 𝐴𝑓 는[ ]㎟

- 30 -

여기서 는 계자권선의 온도이고 종절연의 경우는 로 하고 종절연의 경우T . A 75 . B℃

는 로 하여 계산한다 단 효율의 계산에는 어느 것이나 로 한다 여기100 . , 75 .℃ ℃

서 𝑉𝑓는 여자기 전압 는 여자기전압에 조금 여유를 두기 위한 계수이어서, 0.85𝑝

이하 정도로 취한다 단면적. 𝐴𝑓가 구해지면 이것에 상당한 평각선의 크기가 구해,

지므로 먼저 도에서, (a) d1, d2, d3 도에서(b) d1을 가정하여 회수 𝑁𝑓를 구할 수

있다.

회수 𝑁𝑓가 구해지면 여자전류는

된다.

그림 계자 권선 단면도2.13

제동권선9.

제동권선은 자극편 중에 설치되어 있는 슬롯 중에 넣어져 있지만 이것은 고정자 권

선 중에 생기는 자속이 회전자와 동기로 회전하고 있을 때는 조금도 전압이 유기되

지 않는다 만일 난조가 일어나면 바로 전압을 유기하여 전류가 흘러서 제동작용을.

하게 된다 지금.

- 31 -

Bgd : 어떤 순간에 있어서의 제동자를 끊는 공극자속 [ / ]㏝ ㎡L : 자극장[ ]㎝𝝊d : 제동권선 부분의 속도 [m/sec]a : 최대이동각 전기각( )𝞽 : 진동의 주기

라 하면

단락환의 단면적은 다음과 같이 정한다.

제동자 도체 봉의 단면은 원형이 많다 네모꼴로 만드는 경우도 있다 수는. . 5~10

개 정도이다 제동권선의 슬롯 간격은 고정자 슬롯 간격의 정도 틀리게 하. 15%土

는 것이 좋다.

플라이휠 효과10.

엔진 직결의 발전기에 있어서는 맥동율을 적게 하기 위하여 어떤 값의 플라이휠 효

과를 요구하게 된다 그러나 발전기에 플라이휠 효과를 갖도록 구조가 된 것은 높.

은 가격이 되므로 보통은 엔진측에 플라이휠을 설계하여 두는 것이 많다 수력발전.

소의 발전기에 있어서는 속도 변동율을 어떤 값이하로 유지하기 위하여 수차 제조

자로부터 어떤량의 플라이휠 효과를 요구받는다.

플라이휠 효과 𝐺𝐷2은 기계적 설계를 끝낸 후에 자세하게 계산하여 구하는 것이지

만 대개의 값은 다음 식으로 표시하는 정도로 된다, .

여기서

𝐷 : 고정자 내경𝐿𝖈 : 철심길이𝐶 : 카터계수𝑇 : 톤의 기호

- 32 -

제 장 발전기 설계 및 특성 해석3

제 절 발전기 사양 및 설계 치수1

발전기 사양 및 제원1.

본 연구에서 설계된 발전기 사양은 극 브러시레스 여자방식으로 사양 및 제20 4㎾

원은 아래의 표 과 같다4.1 .

표 발전기 사양 및 제원4.1

항 목 치 수

정격 출력 20 [ ]㎾

극 수 극4 [ ]

주 파 수 60 [ ]㎐

정격 전압 460 [V]

정격 속도 1800 [RPM]

적층 길이 120 [ ]㎜

고

정

자

outer diameter 286 [ ]㎜

inner diameter 195 [ ]㎜

slot bottom radius 4.9 [ ]㎜

회

전

자

outer diameter 193.1 [ ]㎜

inner diameter 56 [ ]㎜

slot bottom radius 3.6 [ ]㎜

- 33 -

고정자 및 회전자의 외형도2.

본 연구에서 설계된 고정자 및 회전자의 외형도는 아래의 그림 그림 와 같3.1, 3.2

다.

그림 고정자의 외형도3.1

그림 회전자의 외형도3.2

- 34 -

제 절 발전기 특성 해석 및 분석2

발전기의 특성 고찰1.

가 발전기의 해석 모델.

본 연구개발과정에서 설계한 브러시레스 발전기를 검토하기 위하여 유한요소법을

이용하여 특성을 고찰하였다 그림 은 극기 브러시레스 발전기의 해석모델로서. 3.3 4

해석을 간단화하기 위하여 모델로 해석한 해석 모델을 나타낸다 해석상 발전기1/4 .

고정자 외경에 고정경계조건을 주었으며 반지름 부분은 해석을 위해 주기 경, 1/4

계조건을 주었다.

그림 발전기의 해석 모델3.3

나 발전기의 요소분할도.

그림 는 모델의 발전기 해석을 위한 유한요소 분할도를 나타내고 있다 요소3.4 1/4 .

수는 개이며 절점수는 개로 분할하였다5641 , 26391 .

그림 발전기의 요소분할도3.4

- 35 -

다 발전기의 자속 선도 곡선.

그림 는 브러시레스 발전기의 무부하시의 자속 분포도를 나타낸다 그림 은3.5 . 3.6

자속밀도 분포를 나타낸 것으로 치 부분에서 최대 자속밀도 정도로 균등하게1.5(T)

보임을 알 수 있다.

그림 발전기의 자속 선도 곡선3.5

라 발전기의 자속밀도 분포도.

그림 발전기의 자속밀도 분포3.6

- 36 -

마 발전기 공극에서의 자속밀도.

그림 은 공극에서 자속밀도 크기 곡선을 나타내며 그림 은 공극 자속밀도의3.7 , 3.8

수직성분을 나타낸다.

그림 발전기 공극에서의 자속밀도3.7

바 공극 자속밀도의 수직성분.

그림 각 부에서의 자속방향3.8

- 37 -

사 외부회로 결선도. ·

그림 는 모델의 해석기에 자기 전기회로가 결합되는 외부회로 구성도를 보3.9 FEM ,

여주고 있다.

그림 외부회로 결선도3.9

발전기의 특성 분석2.

그림 그림 그림 는 본 연구에서 설계된 발전기에 대해3.10, 3.11, 3.12 Brushless

이론적 방법에 의해 해석한 무 부하시와 정격 부하시에 공극 자속 밀도와 코일에

유도된 전압 및 상전압 선간전압 파형의 특성을 나타낸다, .

그림 의 공극 자속밀도는 무 부하시에 최대 정도이나 정격부하 공급시3.10 0.85(T)

에는 최대 자속밀도가 정도로 출구단 쪽에서 상당히 증가함을 볼 수 있다1.35(T) .

이는 정격 부하 운전시 전기자 반작용에 의한 영향에 기인된 현상이다 그림. 3.11

는 이때 권선에 유기되는 전압의 파형을 나타낸다 유기되는 전압이 전기자 반작용.

의 영향을 받고 있음을 알 수 있다.

- 38 -

무부하시(a)

정격 부하시(b)

그림 공극 자속 밀도 곡선3.10

- 39 -

무부하시(a)

정격 부하시(b)

그림 코일에 유도된 전압 파형3.11

- 40 -

무부하시(a)

정격 부하시(b)

그림 상전압과 선간전압 파형3.12

- 41 -

제 절 발전기 시작기 및 특성 실험3

발전기 시작기1.

그림 에서 부터 그림 까지는 급 발전기의 시작품 부품을3.13 3.17 20 Brushless㎾

나타낸다 각 부품의 제작 정밀도는 통상의 기계부품에 비하여 상대적으로 높게 유.

지되어야 하며 특히 용접으로 연결되는 부분이 있으므로 용접 가공시 열변형에 주,

의해야 한다 용접후에는 용접으로 발생한 잔류 응력을 없애주어 응력 집중이 생기.

는 것을 방지해야 한다.

시작기의 권선은 상 극기 발전기로서 결선 권선하였다 권선하는 동안 코일에3 4 Y .

장력을 인가하여 선들이 뒤엉키지 않게 하기 위하여 각 코일군을 권선한 후 에폭시

를 이용하여 고정함으로 원심력 및 전자력에 의해 이동하는 것을 막는다 급. 20㎾

발전기의 계자권선은 레이스 트랙 형으로 권선의 끝 부분인Brushless ( race track)

원형부는 장력에 의해 고정되지만 직선 부는 장력을 가해도 약간 움직일 수 있다, .

따라서 이런 형태의 계자 권선은 에폭시에 함침하여 권선의 이동을 방지 할 수 있

도록 제작하였다.

고정자는 규소강판을 적층하였으며 권선 절연을 하기 위해서는 권선 피복이 벗겨,

지는 것을 방지하기 위하여 슬롯에 먼저 절연지를 대고 권선을 고정한다.

그림 에서부터 그림 까지는 급 발전기의 차에서 차까지3.18 3.21 20 Brushless 1 4㎾

수정 보완된 시작기의 테스트 사진이다 그림 은 엔진과 브러시리스 발전기를. 3.13

결합하는 급 디스크 판 및 커플링을 나타낸다 그림 는 시작기의 브리시20 . 3.14㎾

발전기의 보조 여자기의 고정자를 나타낸다 그림 는 시작기 발전기의 고정자. 3.15

와 게자 코아의 구조를 나타낸다 그림 은 권선된 브러시리스 발전기의 고정자. 3.16

와 회전자의 구조를 나타낸다 그림 은 시작기의 특성 실험을 하기 위한 디젤. 3.17

엔진이다 그림 과 그림 는 시작기의 테스터 실험 장치로서 차 시작기와. 3.18 3.21 1

최종 차 시작기의 실험장치의 장착 구조를 나타낸다4 .

그림 급 디스크 판과 키플링3.13 20㎾

- 42 -

그림 급 여자기 고정자3.14 20㎾

그림 급 시작품 코아3.15 20㎾

- 43 -

그림 급 권선체 샤프트 팬 고정자 회전자3.16 20 ( , , , )㎾

그림 급 엔진3.17 20㎾

- 44 -

그림 차 테스트3.18 1

그림 차 테스트3.19 2

- 45 -

그림 차 테스트3.20 3

그림 차 테스트3.21 4

- 46 -

성능 테스트2.

가 차 성능 테스트. 1

차 성능 시험은 그림 그림 과 같이 고정자 코아의 가 일1 3.22, 3.23 SCREW 5.5°

때 무부하와 부하시의 발생 전압 및 전류 파형을 나타낸다 그림 그림, 20 . 3.24,㎾

는 여자전압 및 전류 파형을 나타내고 있다3.25 .

그림 무부하시3.22

그림 부하시3.23 20㎾

- 47 -

그림 무부하시의 여자 전압 및 전류3.24

그림 부하시의 여자 전압 및 전류3.25 20㎾

- 48 -

나 차 성능 테스트. 2

차 성능 시험은 그림 그림 과 같이 고정자 코아의 가 일2 3.26, 3.27 SCREW 9.4°

때 무부하와 부하시의 발생 전압 및 전류 파형을 나타낸다 그림 그림, 20 . 3.28,㎾

는 여자전압 및 전류 파형을 나타내고 있다3.29 .

그림 무부하시3.26

그림 부하시3.27 20㎾

- 49 -

그림 무부하시 여자 전압 및 전류3.28

그림 부하시의 여자 전압 및 전류3.29 20㎾

- 50 -

다 차 성능 테스트. 3

차 성능 시험은 그림 그림 과 같이 고정자 코아의 가 이고3 3.30, 3.31 SCREW 9.1° .

의 권선 굵기를 에서 로 수정하였을 때 무부하와MAIN ROTOR 2.2 2.4 , 20㎾𝜙 𝜙

부하시의 발생 전압 및 전류 파형을 나타낸다 그림 그림 은 여자전압 및. 3.32 3.33

전류 파형을 나타내고 있다.

그림 무부하시3.30

그림 부하시3.31 20㎾

- 51 -

그림 무부하시의 여자 전압 및 전류3.32

그림 부하시의 여자 전압 및 전류3.33 20㎾

- 52 -

라 차 성능 테스트. 4

차 성능 시험은 그림 그림 와 같이 의 코아 두께가4 3.34, 3.35 MAlN ROTOR 120㎜

일 때 무부하와 부하시의 발생 전압 및 전류 파형을 나타낸다 그림, 20 . 3.36,㎾

그림 은 여자전압 및 전류 파형을 나타내고 있다3.37 .

그림 무부하시3.34

그림 부하시3.35 20㎾

- 53 -

그림 무부하시의 여자 전압 및 전류3.36

그림 부하시의 여자 전압 및 전류3.37 20㎾

제 절 발전기 시험 결과4

냉동 컨테이너 전원공급 장치용 급 발전기에 대한 주요 전기적 특성20 Brushless㎾

에 관한 규격 시험 결과를 다음과 같이 첨부하였다.

- 54 -

- 55 -

성능확인시험성적서

- 56 -

목 차

항 목 페이지 번호

목차 2/7정격 3/7시험목록 4/7시험항목 결과 5/7-7/7시험회로도 -사진 -Oscillograms -첨부 -

시험자 :황보 국

한국전기연구원

입회자 :이상섭

대삼중전기

사진 :피시품 사진Photo HV01 :

- 57 -

정격

디젤엔진

적용규격 의뢰자제출시방KEMC 1111(1989.11),제작자 현대자동차 주( )형식명 D4BB제조번호 -출력 28 PS회전수 1,800 rpm냉각방식 수냉식엔진중량 210 kg사용연료 경유

발전기

적용규격 의뢰자제출시방KEMC 1111(1989.11).제작자 대삼중전기형식명 DSG 2000제조번호 020001상수 3 3W𝟇용량 20 ㎾정격전압 460V정격전류 25.1A주파수 60 ㎐역율 1.0절연계급 H Class냉각방식 강제통풍여자방식 Brushless self-exciting

- 58 -

시험목록

시험항목 시험회로도 페이지 번호

권선저항측정 - 5/7회전속도변화시험 - 5/7종합전압변동특성시험 - 5/7최대전압강하특성시험 - 5/7온도시험 - 5/7절연저항시험 - 6/7발전기의 전압변화시험 - 6/7발전기의 전압조정범위시험 - 6/7파형외형율시험 - 6/7내전압시험 - 6/7과전류내력시험 - 6/7과속도내력시험 - 7/7엔진보호회로 동작시험 - 7/7

상기 시험항목은 세계시험소인정기구“ (International Laboratory Accreditation

상호인정협정 에 서명한 한국교Cooperation) (Mutual Recognition Arrangement)

정시험기관인정기구 로부터 공인받은 시험항목입니다(KOLAS) .”

- 59 -

권선저항측정1.

구분 측정치( )𝝮 주위온도( )℃

고정자권선 0.4913.3

회전자권선 20.3

회전속도변화시험2.

시험방법 및 기준 시험결과

회전속도를 변화시킬 때 정격출±5%

력과 동일한 부하를 사용하여도 실용상

지장이 없을 것

회전속도를 변화시킬 때 정격출±5%

력의 변화는 일어나지 않아 실용상 지

장을 일으키지 않았음

종합전압변동특성시험3.

시험방법 및 기준 시험결과(%)

무부하 운전상태에서 정격부하를 투입

했을 때 종합전압 변동율은 이± 2.5%

내일 것

무부하 운전상태에서 정격부하를 투입

한 후 출력전압이 안정되었을 때 측정

한 종합전압변동율은 임0.33% .참조* Attachment HV01

최대전압강하특성시험4.

시험방법 및 기준 시험결과

무부하 운전상태에서 정격부하를 투입

했을 때 최대전압강하율은 이내이30%

고 초 이내에 최종 정상전압의, 2 -3%

이내로 복귀할 것.

최대전압강하율 (%) 복귀시간 (s)

8.87 0.87

참조* Osc. HVD1

온도시험5.

시험방법 및 기준 시험결과

시험전

류(A)

시험주

파수( )㎐

시험시

간(h)

주위

온도

기준치

( )℃측정부위 온도상승치( )℃

25.1 60 5 15.0

125 고정자권선 저항법( ) 90.36125 회전자권선 저항법( ) 44.4125 철심 온도계법( ) 46.040 베어링 온도계법( ) 21.0

참조* Osc. HV02 - HVD4

- 60 -

절연저항시험6.

시험방법 및 기준 측정치 (M )𝝮절연저항계로 절연저500 V 2,000 M𝝮

항을 측정했을 때 전기자권선 및 계자

권선의 절연저항은 이상일 것3M .𝝮

전기자권선 계자권선

800 1,000

발전기의 전압변화시험7.

시험방법 및 기준 시험결과

정격 회전속도로 단자전압이 정격치의

로 변화하더라도 정격출력과 동일±5%

한 부하로 사용하여도 실용상 지장이

없을 것

단자전압을 변화시킬 때 정격출±5%

력의 변화는 실용상 지장을 일으키지

않을 정도로 극히 작았음

발전기의 전압조정범위시험8.

시험방법 및 기준 시험결과

정격 회전속도 무부하의 상태에서 발전

기 정격 출력 전압을 로 조정 가±5%

능해야 할 것.

정격 회전속도 무부하의 상태에서 발전

기 정격 출력 전압은 로 조정가±20%

능 하였음.

파형외형율시험9.

시험방법 및 기준 시험결과

발전기 단자간 무부하 전압파형의 외형

율은 이하일 것10% .3.0

내전압시험10.

인가부위 접지부위 시험전압(V)시험주파수

( )㎐인가시간(s) 시험결과

전기자권선 프레임 1,92060 60

견디었음계자권선 프레임 1,500 견디었음

- 61 -

과전류내력시험11.

시험방법 및 기준 시험결과

정격전류의 배 전류를 초 동안 흘1.5 15

렀을 때 기계적으로 견디는 구조일 것

정격전류의 배 전류를 초 동안 인1.5 15

가한 후 정상 가동하였을 때 이상이 없

으므로 기계적으로 견디는 구조임.

과속도내력시험12.

시험방법 및 기준 시험결과

무부하에서 정격회전속도의 속도120%

로 분 동안 운전할 때 기계적으로 견2

디는 구조일 것.

무부하에서 정격회전속도의 속도120%

로 분 동안 운전한 후 정상 가동하였2

을 때 이상이 없으므로 기계적으로 견

디는 구조임.

엔진보호회로 동작시험13.

시험방법 및 기준 시험결과

엔진오일의 부족 및 냉각수의 고온이

발생할 때 발전기 엔진가동이 정지될

것.

엔진오일의 부족 및 냉각수의 고온이

발생할 때 발전기엔진을 정지시키는 스

위치를 임의로 동작한 결과 엔진가동이

정지됨.

시험결과 검토14.

상기 시험은 의뢰자가 제출한 임의의 시료 및 에 따14.1 KEMC-1111(1989.11.16)

라서 규정된 시험방법에 의거 역률 로 시험한 결과임1.0 .

- 62 -

사진

피시품 사진Photo. HV01 -

- 63 -

최대전압강하특성시험기록지OSG. HV01-

- 64 -

온도상승시험기록지Ose. HV02-

- 65 -

온도상승시험기록지 회전자권선Osc. HV03- ( )

- 66 -

온도상승시험기독지 고정자권선Ose. HV04- ( )

- 67 -

전압변동시험기록지Attachment HV01-

- 68 -

제 장 결론4

본 과제에서는 급변하는 물류 환경에서 물류 운송비 절감과 화물의 다변화를 통한

냉동 냉장 화물의 운송에 부응하는 를 제공하기 위해 컨, HIGH QUALITY SERVICE

테이너 트레일러에 장착하여 사용할 수 있는 소형 고성능 냉장기로서 사용되는 20

급 컨테이너 전원공급 장치용 발전기를 개발하였다Brushless .㎾

이와 관련한 국내 외 주요 자료를 분석하고 발전기의 특성해석을 고찰하여 형상,ㆍ

을 설계한 후 급 발전기의 전기적 특성을 시험 평가하였다 그 결과20 Brushless .㎾

다음과 같은 결론을 얻었다.

브러시리스 발전기의 이론적 방법에 의한 설계 기술과 유한 요소법을 적용1. 20㎾

한 자기장 해석 기술을 확립으로 체계적인 기술 접근과 전문 생산업체로서 연구 능

력을 배양할 수 있었다.

기존 브러시 발전기에 대한 효율 향상으로 에너지 절약효과와 단위 중2. 20 5%㎾

량당 단위 부피당 출력을 향상시키므로 제조 공정과 원가 절감을 가져 올 수 있었,

다 기존 발전기 대비 의 원가 절감을 할 수 있었다. 15% .

브러시리스 발전기의 특성 실험 분석 기술과 제조 공정의 확립으로 경쟁력을 확3.

보 할 수 있었으며 향후 국내외 기술 경쟁력을 확보 있을 것으로 판단되었다, .

이상으로 본 과제를 통하여 급 브러시리스 발전기의 설계 해석 및 제작 기술20 ,㎾

을 확립하였다 그러나 향후 연구과제로는 급과 고속 발전기 개발 기술과 완전. 50㎾

방식의 자동 전압 조절 여자기 개발 등이 남아 있다digital .

- 69 -

참고 문헌

[1] T. J. E. Miller, "Brushless Permanent-Magnet and Reluctance Motor

Drives", CLARENDON PRESS OXFORD, 1989

[2] Duane C. Hanselman, ’Brushless Permanent-Magnet Motor Design",

McGraw-HiII Inc, 1994

[3] Doh Young Park, "Parameter Identification of Salient-Pole Synchronous

Machines Using the SSFR(StandstiII Frequency Response) Test", Queen's

University, 1997

[4] Sakutaro Nonaka, Katsumi Kesamaru and Kazuo Horita, "ANALYSIS OF

BRUSHLESS 4-POLE THREE-PHASE SYNCHRONOUS GENERATOR WITHOUT

EXCITER BY FINITE ELEMENT METHOD", IEEE, 1991

[5] I. R. Smith, J.M. Raven and S.K. Tso, "Brushless and self-excited

single-phase alternator", Proc. lEE, vol. 114, No. 8, pp.1089-1095, Aug. 1967

[6] I. R. Smith and P.A. Nisar, "Brushless and self-excited three-phase

synchronous machine", Proc. lEE. vol. 115, pp.1655-1660, Nov. 1967

[7] F. Shibata and T. Fukami, "Fundamental characteristics of an exciterless

and brushless type commutatorless motor driving with a voltage source

inverter", Trans. lEE, Japan, vol. 109-D, No.6, June. 1989

[8] S. Nonaka and K. Kesamaru, "Brushless three-phase synchronous

generator without exciter", Trans. lEE. Japan, vol. 105-B, No. 10, pp.

851-858, Oct. 1985

[9] S. Nonaka and K. Kesamaru, "Analysis of vol tate-adjustable brushless

synchronous generator without exciter", IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 25, No.1,

Jan./Feb. 1989

- 70 -

[10] K. Harada and S. Nonaka, "Self-excited single-phase synchronous

generator", Japanese patent no. 244444(Pat. pub. 1958-2367), 1958

[11] S. Nonaka and I. Muta, "Characteristics of the brushless self-excited

type single-phase synchronous generator", J. IEEE Japan, vol. 91, pp.

1291-1300, July. 1971

[12] S. Nonaka and K. Kesamaru, "Characteristics of brushless single-phase

and three-phase synchronous generator without exciter", Proceeding of

International Conference on Electrical Machines, Lausanne, pp. 325-328, 1984

[13] F. Shibata and N. Naoe, "Cahracteristics of Brushless and exciterless,

self-exlf-excited synchronous generators", Conference record of IEEE Ind.

Appl. Soc. Annu. Meeting, Seatle, pp. 293-300, 1990

[14] T.Nakata and N.Takhashi, "Direct finite Element analysis of flux and

current distributions under specified conditions", IEEE Trans, on Magnetics,

vol. 18, pp. 325-330, March 1982

[15] P. J. Tavner and J. Penman, "Condition Monitoring of Electrical

Machines, "Research Studies Press Ltd., 1987

[16] D. R. Albright. "Interturn Short-Circuit Detector for Turbine-Generator

Rotor Windings", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,

PAS-90, No. 2, pp. 478-483, 1971

[17] H. M. Conolly, I. Lodge, R. J. Jackson, and I. Roberts, "Detection of

Interturn Faults in Generator Rotor Windings Using Airgap Search Coils", lEE

Conference Publication, 254, pp. 11-15, 1985