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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 한승호
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 동아대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
이 논문의 연구 히스토리 (9)
2021
2019
2018
대용량 풍력발전기용 AFPM 발전기의 냉각장치 성능평가
박형준
,
한진욱
,
한혜원
외 2명
대한기계학회 춘추학술대회
2018.12
학술대회자료
대용량 풍력발전기용 하이브리드 직접구동형 발전기 개념설계
박형준
,
김양균
,
한승호
대한기계학회 논문집 A권
2018.12
학술저널
다중 목적함수 최적화 기법을 이용한 대용량 풍력발전기 형상최적화
박형준
,
한혜원
,
한승호
대한기계학회 춘추학술대회
2018.04
학술대회자료
만족도함수를 이용한 대용량 풍력발전기 지지구조물의 형상최적화
박형준
,
김가은
,
강효림
외 2명
대한기계학회 춘추학술대회
2018.02
학술대회자료
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해상풍력 발전 분야에서 전력생산 당 설치 및 유지비용을 줄이기 위해 대용량 발전기의 개발이 요구되고 있다. 본 연구팀에서 대용량 풍력발전기로써 2단으로 적층된 2.5MW 급 AFPM type 발전기와 중공부에 삽입된 1.2MW 급 RFPM type 발전기로 이루어진 6.2MW 급 대용량 직접구동형 하이브리드 다단 발전기를 제안한 바 있다.
AFPM type 및 RFPM type 발전기의 내부에서 고정자와 영구자석이 특정온도를 상회할 경우, 고정자 권선의 절연파괴와 영구자석 감자현상이 발생할 수 있다. 따라서 대용량 직접구동형 발전기 설계 시, 높은 전력밀도에 의한 전자기 손실로 발생하는 열을 제거하는 냉각 장치 개발이 주요한 설계항목으로 고려되고 있다. 풍력발전기에 사용되는 냉각 장치는 사용되는 유체와 작동 방식에 따라 공랭식 및 수랭식 방식으로 적용되고 있으며, AFPM type 및 RFPM type 발전기 각각 대해서 공랭식 및 수랭식 냉각 장치를 고려한 열-유동 연성해석이 수행되었다. 그러나 본 연구팀에서 제안된 하이브리드 다단 발전기는 두 AFPM 및 RFPM type 발전기가 조합된 복잡한 구조이므로, 실제 작동조건을 고려하면 발전기 간의 상호작용으로 발열이 크게 발생할 것으로 예상되며, AFPM 및 RFPM type 발전기 각각에 대해 적용된 냉각 시스템에 열 유동이 원활히 이루어질 수 있는 에어 덕트, 입·출구 및 수랭식 냉각 장치에 적용된 냉각 파이프의 배열 등과 같은 추가 설계가 필요하다.
본 연구에서는 6.2MW 급 대용량 직접구동형 하이브리드 다단 발전기에 실제 작동조건을 고려하여 개발된 냉각 장치를 적용하고 발전기 내의 열 분포를 수치적으로 평가하였다. 냉각 시스템 적용 시 요구되는 냉각 매체의 적절한 유량을 선정하였다. 고정자 표면과 영구자석의 온도는 전자기 연성해석과 열-유동 연성해석을 통해 평가되었다. 공랭식 냉각 장치는 에어 덕트 일부 구간에서 난류가 생기고 이로 인해 냉각 효과가 다소 저하되는 현상이 발생하였다. 수랭식 냉각 장치는 냉각 파이프를 고정자 상단부에 설치하여 영구자석으로 향하는 열전달 영향을 줄이고 발열현상을 효과적으로 저하시켰으나, 냉각 파이프의 입구 단부터 출구 단까지 냉각 효과가 달라 온도편차가 있음을 확인하였다. 그러나 제안된 두 냉각 장치 모두 모두 충분한 성능을 발휘하여, IEC726에 따른 절연등급 B를 충족하고, 영구자석의 감자현상을 방지 할 수 있어 전력 생산에 문제가 되지 않았다. 아울러, 경량화 관점에서 두 냉각 장치를 비교해 보았을 때, 유사한 수준의 냉각 성능을 가지는 조건 하에서 수랭식 냉각 시스템이 2배 이상 수준의 경량화가 됨을 확인하였다.
AFPM type 및 RFPM type 발전기의 내부에서 고정자와 영구자석이 특정온도를 상회할 경우, 고정자 권선의 절연파괴와 영구자석 감자현상이 발생할 수 있다. 따라서 대용량 직접구동형 발전기 설계 시, 높은 전력밀도에 의한 전자기 손실로 발생하는 열을 제거하는 냉각 장치 개발이 주요한 설계항목으로 고려되고 있다. 풍력발전기에 사용되는 냉각 장치는 사용되는 유체와 작동 방식에 따라 공랭식 및 수랭식 방식으로 적용되고 있으며, AFPM type 및 RFPM type 발전기 각각 대해서 공랭식 및 수랭식 냉각 장치를 고려한 열-유동 연성해석이 수행되었다. 그러나 본 연구팀에서 제안된 하이브리드 다단 발전기는 두 AFPM 및 RFPM type 발전기가 조합된 복잡한 구조이므로, 실제 작동조건을 고려하면 발전기 간의 상호작용으로 발열이 크게 발생할 것으로 예상되며, AFPM 및 RFPM type 발전기 각각에 대해 적용된 냉각 시스템에 열 유동이 원활히 이루어질 수 있는 에어 덕트, 입·출구 및 수랭식 냉각 장치에 적용된 냉각 파이프의 배열 등과 같은 추가 설계가 필요하다.
본 연구에서는 6.2MW 급 대용량 직접구동형 하이브리드 다단 발전기에 실제 작동조건을 고려하여 개발된 냉각 장치를 적용하고 발전기 내의 열 분포를 수치적으로 평가하였다. 냉각 시스템 적용 시 요구되는 냉각 매체의 적절한 유량을 선정하였다. 고정자 표면과 영구자석의 온도는 전자기 연성해석과 열-유동 연성해석을 통해 평가되었다. 공랭식 냉각 장치는 에어 덕트 일부 구간에서 난류가 생기고 이로 인해 냉각 효과가 다소 저하되는 현상이 발생하였다. 수랭식 냉각 장치는 냉각 파이프를 고정자 상단부에 설치하여 영구자석으로 향하는 열전달 영향을 줄이고 발열현상을 효과적으로 저하시켰으나, 냉각 파이프의 입구 단부터 출구 단까지 냉각 효과가 달라 온도편차가 있음을 확인하였다. 그러나 제안된 두 냉각 장치 모두 모두 충분한 성능을 발휘하여, IEC726에 따른 절연등급 B를 충족하고, 영구자석의 감자현상을 방지 할 수 있어 전력 생산에 문제가 되지 않았다. 아울러, 경량화 관점에서 두 냉각 장치를 비교해 보았을 때, 유사한 수준의 냉각 성능을 가지는 조건 하에서 수랭식 냉각 시스템이 2배 이상 수준의 경량화가 됨을 확인하였다.
목차
Ⅰ. 서론 11. 연구배경 12. 연구동향 33. 연구목표 6Ⅱ. 전자기 및 열전달 해석 141. 전자기해석 142. 열-유동 연성해석 15III. 냉각 시스템 181. 공랭식 냉각 시스템 182. 수랭식 냉각 시스템 22Ⅳ. 해석결과 및 고찰 251. 전자기해석 결과 252. 냉각 장치 미적용 시 열-유동 연성해석 결과 283. 공랭식 냉각 장치 적용 후 열-유동 연성해석 결과 354. 수랭식 냉각 장치 적용 후 열-유동 연성해석 결과 445. 공랭식과 수랭식 냉각 시스템의 비교 526. 고찰 58Ⅴ. 결론 62참고문헌 64Abstract 67
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