심벌 트랜스듀서 해석용 등가회로 개발 및 광대역 심벌 배열 구조 설계

심하영 경북대학교 대학원 2023 국내박사

A cymbal transducer is a miniaturized version of the Class V flextensional transducer and has a low resonant frequency for its size. If these transducers are arranged and used in an array structure, broadband characteristics can be obtained owing to the interaction between the transducers. Studies related to cymbal transducers and cymbal arrays have used the finite element method (FEM) or experimental method, which would take a long analysis time to obtain desired characterization results. The size of the cymbal transducer was very small compared to the wavelength at the resonant frequency. This particular characteristic significantly increases the finite element analysis (FEA) time as the cymbal model requires a small element size and a large area of the medium for the analysis. In the case of a single cymbal transducer, it is not a problem as the analysis model is small, but in the case of a cymbal array, the analysis time increases exponentially depending on the size of the model. Correspondingly, the analysis results for cymbal arrays larger than a 3×3 array are very rare. This problem could be easily resolved by using an equivalent circuit exclusive to the cymbal transducer. Using an equivalent circuit for a cymbal array allows efficient and accurate analysis, but it has not been developed so far. Therefore, in this study, the equivalent circuits of a cymbal transducer and array were developed to efficiently analyze the acoustic characteristics that were only analyzed using the experimental method and FEM in previous studies. The equivalent circuit of a cymbal array consists of the equivalent circuits of single cymbal transducers. However, since no equivalent circuit for a cymbal transducer has been developed, an equivalent circuit for a cymbal transducer was first developed. Before the development of the equivalent circuit, the effect of the design variables of the cymbal transducer on the acoustic characteristics was analyzed. Through these results, the fundamental mode vibration of the cymbal transducer was analyzed to derive the circuit parameters theoretically for each component. The shape of the equivalent circuit was inspired by the equivalent circuit of a Class IV flextensional transducer. The validity of the proposed circuit was verified by fabricating cymbal transducer specimens and comparing the experimental results with the results from the equivalent circuit for a single cymbal transducer. Additionally, the efficiency of the equivalent circuit in saving time was verified by comparing the calculation time using the circuit with that of the FEA. The important characteristic of the cymbal array is having a wide bandwidth on the transmitting voltage response (TVR) spectrum, and the frequency bands generally used in the applications are from the fundamental mode to the 3rd harmonic mode. The developed equivalent circuit of the cymbal transducer was composed of circuit parameters considering only the fundamental vibration mode of the cap. Using this equivalent circuit, accurate analysis was possible in the frequency range near the fundamental mode, but the analysis in the wide frequency range was inaccurate. Therefore, to accurately analyze the frequency range from the fundamental mode to the 3rd harmonic mode, a multi-mode equivalent circuit was newly developed by adding the circuit parameters related to the 3rd harmonic mode of the cap to the single-mode equivalent circuit of a cymbal transducer. In general, when considering harmonic modes in a circuit, the method of connecting circuit parameters for each mode in parallel was used. However, when the multi-mode equivalent circuit of the cymbal transducer was configured in this way and used for the equivalent circuit of the cymbal array, the circuits of single transducers configured in parallel were connected again in parallel. This way the circuit of the array was expressed three-dimensionally and becomes very complicated. The multi-mode equivalent circuit devised in this study did not use a parallel connection method but used a new method to express the 3rd harmonic mode in one circuit. Furthermore, the multi-mode radiation impedance of the cymbal cap was derived and substituted into this circuit. The TVR at the frequency range, from the fundamental mode to the 3rd harmonic mode, was analyzed using the developed multi-mode equivalent circuit of the cymbal transducer, and the validity of the proposed equivalent circuit was verified by comparing it with the measured values. The final goal of this study was to develop an equivalent circuit that can efficiently analyze the characteristics of a cymbal array. Firstly, a radiation impedance network dedicated to a cymbal array was developed. This network can adequately reflect the interaction between the transducers in an array. An equivalent circuit of a cymbal array was proposed by combining the radiation impedance network with the multi-mode equivalent circuits. The TVR of the cymbal array was analyzed using this circuit, and the validity of the result was verified by comparing it with the measurement result of the fabricated specimen. Finally, the efficiency of the equivalent circuit proposed in this study was verified by comparing the analysis time of the circuit with that of the FEM. If the equivalent circuit developed in this study is used, it will be possible to study large-sized cymbal arrays that have not been studied. In particular, it will be possible to systematically analyze the broadband characteristics of the cymbal array and conduct studies related to various array patterns. It could also be applied to other array-type transducer designs.

타원형 다단 불연속면을 이용한 도파관 원형편파기 설계 및 등가회로 해석

윤성식 한국항공대학교 대학원 2013 국내석사

본 논문에서는 저궤도 위성에서 X-대역 고속 데이터 전송용으로 적합한 새로운 구조의 도파관 원형편파기를 제안하고 설계하였따 제안한 편파기는 원형 도파관만을 사용하여 타원형 불연속면을 생성하는 형태로 원형 개구면을 갖는 방사체로의 천이구조를 생략할 수 있는 장점이 있다. 원형도파관내 전자파 특성 이론 및 원형편파 발생원리를 이용하여 구조를 제안하고 최적의 특성을 갖는 편파기의 설계변수를 설정하는 과정을 수행하였다. 제안한 편파기는 다목적 실용위성 5호(KOMPSAT-5)의 전기적 성능 요구규격을 목표로 정하였고 이를 만족하는 최적의 편파기를 설계하여 제작한 뒤 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교 분석하였다. 전송선로 이론을 적용, 분석하고, 편파기 내부의 전계의 크기 및 위상을 분석하여 편파기의 불연속면 증가에 따라 반사손실 특성 및 축비 특성의 대역폭이 넓어지는 원리를 분석하였다. 또한 임피던스 매트릭스 및 공진회로를 이용하여 제안한 편파기의 등가회로 모델을 설계하였으며 설계변수 변화에 따른 제안한 등가회로 소자 값 변화를 분석하여 다단의 등가회로 소자 값을 결정하여 등가회로 모델을 검증하였다.

EM Solver의 주파수 응답 데이터를 이용한 RF 수동 소자의 등가회로 모델링에 관한 연구

오상배 중앙대학교 대학원 2007 국내석사

무선 통신의 급속한 성장과 함께, 휴대형 무선 통신 장비들의 고성능, 소형화가 요구되어 왔다. 이에 따라 디지털 회로와 RF 회로가 작은 패키지 형태로 통합되었다. 소형의 RF 모듈을 개발 할 때 새로운 공정뿐 아니라 이러한 공정에 대한 회로 라이브러리 구축이 요구되어왔다. 또한 RF 회로부와 디지털 회로부가 한 패키지 안에 실장 됨에 따라 디지털 회로부의 신호 무결성, 전원 무결성 문제가 대두 되었다. 이 논문의 목적은 이러한 현상을 분석하기 위하여 RF 수동 소자 및 디지털 회로의 연결부에 대해 등가 회로 모델링을 하는 것이다. EM 해석 툴에서 나온 주파수 응답 데이터를 유리함수로 근사하여 나온 영점과 극점을 이용하여 등가회로를 구성하였다. 주파수 응답 데이터를 유리 함수로 모델링하기 위해 AFS 기반의 MBPE 방법과 AFS 기반의 VF 방법을 도입했고 Matlab 코드로 구현하였다. 유리함수 근사에 대한 결과에서 AFS 기반의 MBPE는 나선형 인덕터의 주파수 데이터에는 적용가능하나 공진 특성을 보이는 RF 수동소자에는 적합하지 않음을 보여준다. 공진 특성을 가지는 안테나, 대역 통과 여파기 등에 적용할 수 있는 AFS 기반의 VF 방법을 구현하여 주파수 응답데이터를 유리함수로 근사화 하였다. 등가회로는 유리함수의 영점과 극점의 정보를 담고 있는 직렬 RLC 공진기와 VCCS로 구성되어진다. 각각의 공진기를 이용해서 N 포트 네트워크 회로망으로 구현하였다. 이 논문에서는 2 포트 PI 네트워크 회로망이 사용되었다. Matlab으로 구현된 AFS 기반의 VF를 마이크로 스트립 패치 안테나, 이중 대역 저지 여파기인 L 모양의 DGS 구조, 그리고 접지면에 슬롯이 3개 있는 마이크로 스트립 선로에 적용하여 등가회로를 구하였다. AFS를 이용하여 유리함수 근사의 정확도 향상을 얻었다. 또한 VF를 수행 할 때 정확한 초기 pole 집합을 이용함으로써 계산 시간을 줄일 수 있었다. 2~4[GHz]대역의 주파수 응답 데이터를 이용하여 마이크로스트립 패치 안테나를 1 포트 등가회로로 구현하였다. 구성된 등가회로의 S_(11)과 EM 해석에서 나온 S_(11) 결과가 유사함을 확인하였다. L모양의 DGS는 2 포트 등가회로로 구현되었다. 5~18 [GHz]의 주파수 응답 데이터를 이용하여 구현된 등가회로의 S 파라미터의 결과와 EM 해석 결과가 몇 몇 주파수 구간에서 일치 하지 않음을 알 수 있다. 이는 Y 파라미터들을 유리함수로 근사화 할 때 공통 극점을 사용하지 않았기 때문이다. 공통 극점을 사용하여 주파수 데이터를 유리 함수로 근사화 하고 등가회로의 공진기를 구성하였다. 몇몇 구간에서 일치 하지 않았던 S 파라미터 결과가 유사함을 확인하였다. 마지막으로 접지 면에 슬롯이 3개 있는 마이크로 스트립 선로에 대해 EM 해석을 하였다. 0.01~20[GHz] 범위에 대한 S-parameter를 이용하여 등가회로를 구하였다. 등가회로의 stability를 확보하기 위해서passivity 알고리즘을 Y₁에 적용하였다. Y₁에만 passivity 알고리즘을 적용한 이유는 Wave Eqation이 semi-positive definite이기 때문이다. 등가회로 시간 영역 및 주파수 영역 결과를 EM 해석 결과와 비교하였다. 비교 결과를 통해 등가회로가 전자기 구조의 EM 특성과 유사함을 확인 하였다. The trend in portable wireless electronics is to combine digital and RF circuits into a compact packaged mixed signal module. Embedded RF passive components using LTCC which is an emerging technology area provides a method for achieving size shrinkage by replacing surface mounted components with embedded components in a multilayered packaging environment. To evaluate the effect of the process parameters such as LTCC on the frequency response, accurate models of the embedded components are therefore a necessity. Emperical models in Agilent ADS(Advanced Design Systems) are often used by RF designers for circuit design. However, for a new process, empirical modes may not be available. Therefore, suitable circuit models for embedded RF components need to be developed to integrated into a design library such as ADS. Also, With the increasing advent of high-speed mixed signal circuits, maintaining signal integrity has become one of the major issues facing modern circuit design. In order to accommodate this trend and perform overall system simulation accurately requires that the signal analysis of conventional digital circuits is adapted to RF/microwave distributed circuits. The goal of this thesis was to construct an equivalent circuit using the frequency data results obtained from a numerical simulation of the antenna and microstrip filter. Using the constructed equivalent circuit, the electromagnetic behavior of an RF passive component can be successfully described. The MBPE(Model Based Parameters Estimation) based on the AFS(Adaptive Frequency Sampling) and the VF(Vector Fitting) based on the AFS were investigated to obtain a rational function approximation for the frequency response data of an EM solver based on FDTD and algorithm were implemented in Matlab 7.02b version. Those methods were applied to a turned spiral inductor, microstrip patch antenna, microstrip L-shaped DGS(Defected Ground Structures), and microstrip line with 3 slots in ground. Each frequency data were approximated by a rational function using AFS and VF. The AFS improved the accuracy of rational function approximated. Also, that gave a good initial pole sets which reduce computational time of the VF. The VF was performed to obtain Foster canonical partial fraction expression. That expression present poles and residue to build the PI equivalent circuit. The function is composed of DC component, high pass filter, a low pass filter and band pass filter with VCCS designed with R, L, C. The passivity enforcement algorithm is used to ensure the stability of the equivalent circuit. In the case of 2 port network, the passivity enforcement algorithm is applied to branch. Because the EM structures is semi-positive definite. Finally, The frequency response and time domain simulation for the passive components presented demonstrate excellent correlation between the equivalent circuit and EM simulations

약계자운전 인버터구동 유도전동기의 등가정수 추출 및 특성해석

안재홍 서울대학교 대학원 2004 국내석사

유도전동기를 넓은 속도영역에서 사용하기 위해서는 약계자운전이 필수적인데, 약계자 영역Ⅰ의 슬립주파수 증가는 인덕턴스 감소의 원인이 되고, 약계자 영역Ⅱ의 인가전류 감소는 인덕턴스 증가의 원인이 되므로, 약계자 운전시의 특성해석을 수행하기 위해서는 운전상황에 따른 등가회로 정수를 정확하게 추출해 내는 것이 필요하다. 기존의 등가회로 정수 추출방법은 인덕턴스의 계산이 정확하지 않았기 때문에 유도전동기의 인덕턴스를 추출하는 새로운 제안하였고, 이 방법을 사용하여 약계자 운전환경에서의 등가회로 정수를 추출한뒤 등가회로법을 사용하여 속도-토크 특성과, 속도-효율 특성, 속도-역률 특성의 해석을 수행하였다. 유도전동기의 등가회로 정수를 추출하기 위하여 2D 유한요소법을 사용하였고, 재질의 비선형성을 고려하기 위해서 뉴튼 랩슨(Newton-Rapshon)법을 적용하였다. 정토크 영역에서는 전압원 해석을 수행하여 정격시의 등가정수를 추출하였고, 약계자 영역에서는 최대토크를 내기위한 전류를 계산하여 전류원 해석으로 등가회로 정수를 추출하였다. 약계자 영역에서의 등가회로 정수 변화는 거의 선형이므로 몇몇 점의 정수만 추출하여 보간하여 특성해석을 수행하였다. 유한요소 해석 프로그램의 타당성을 검증하기 위해 상용 유도전동기의 실험결과와 프로그램의 해석결과를 비교하였고, 약계자 영역에서의 특성해석은 정격시의 등가회로 정수와, 약계자 운전상황이 고려된 등가회로 정수를 이용하여 그 결과를 비교하였다. 본 논문에서 제안한 등가회로 정수의 추출방법은 추후 다양한 운전상황의 변화를 고려한 유도전동기의 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다. The field weakening operation is necessary for driving induction machines in wide speed range. In the field weakening region, source voltage, frequency, and slip are varied. As a result, the equivalent circuit parameters(ECPs) of induction machines will be varied. Accordingly, on the characteristic analysis with field weakening operation, the calculation of exact ECPs is necessary. As the conventional method is not able to give accurate ECPs, a novel algorithm to obtain the ECPs using finite element analysis(FEA) is proposed. The ECPs with the field weakening operation are computed by the proposed method. Using these ECPs, the characteristic analysis of the induction machine with field weakening operation is performed. The speed-torque, speed-efficiency, and speed-power-factor characteristics are investigated. The Newton-Raphson method is utilized for considering the non-linear B-H characteristics of magnetic material. The field weakening operation is composed of 3 regions; constant-torque, constant-power, and characteristic region. In the constant torque region, voltage source FEA is used to obtain the ECPs on the rated condition. In the field weakening region, the currents that generates the maximum torque are used as the source of FEA that can obtain the ECPs. As the variation of ECPs is almost linear in the field weakening region, it is possible to obtain the ECPs by selecting the some points in the given region. Then the characteristic analysis is performed by the interpolated values of them. In this dissertation, the novel algorithm to obtain the ECPs under various operating condition is proposed, and it is verified by comparing with the results of the suggested method and the experimental results of commercial induction machine. Then, the characteristic analysis results of induction machine with field weakening operation by two groups of the ECPs are compared. One is the group of ECPs on the rated condition, and the other is on field weakening condition.

영구자석 동기전동기의 철손을 고려한 직병렬 등가회로 모델링 제안

윤승영 경북대학교 대학원 2022 국내석사

As the PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) tends to increase the power density with the development and high speed of cooling performance technology, the effect of iron loss increases, and accordingly, it is important to study the iron loss. The iron loss is an important parameter used to calculate the voltage required for motor control. The quivalent circuit model considering the existing iron loss has a series and parallel iron loss resistance model. In the control of the parallel model shows the d-q-axis iron loss, but there is a problem that the reluctance torque is generated. In contrast, the serial model shows the torque well but does not show the d-axis iron loss. This paper presents a series-parallel iron loss resistance model to solve this problem, and shows the physical validity of the proposed model when compared with other models in the control and d-q-axis open state. It was confirmed that the difference in voltage required for the same output as the commonly used parallel core loss model was up to about 4% larger in the series-parallel model.

비틀림 진동의 전기적 등가회로에 관한 연구

황상균 仁川大學校 一般大學院 2001 국내석사

기계적 시스템의 설계·제작시에 시스템을 모델링하여 시스템의 진동거동을 해석하기 위한 시뮬레이션 기법 중, 비교적 구조가 간단하고 공진주파수 부근에서의 동적특성 해석에 유용한 전기적 등가모델링의 개발은 기계분야와 전기분야의 양 분야의 특성을 상호 응용한 점에서 그 개발성과 응용성이 제고되고 있는 실정이지만, 등가적인 전기회로를 이용한 모델링 및 시뮬레이션은 현시적으로 진동거동을 고찰할 수 있으며, 짧은 시간내에 그 해석결과를 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 3-자유도 비틀림 진동 시스템을 기계적 모델링 방법을 이용하여 분석하고, 기계적 시스템의 등가적인 전기 회로로의 등가과정을 소개함과 동시에, 다양한 경계조건(예로, 자유진동, 조화 여기가진, 쇼크가진)에서의 시스템 응답(각속도 변동, FFT분석)을 각각 비교·분석하여, 등가적인 전기회로의 정확성과 신뢰성을 확인하고 그 응용성을 평가하고자 한다. 결과적으로, 다양한 경계조건에서, 3-자유도 비틀림 진동 시스템의 기계적 모델링과 등가적인 전기회로 모델링에 의한 동적 응답특성이 일치하였다. 특히, 기계적 시스템에 동흡진기(Dynamic Vibration Absorber(DVA))를, 등가적인 전기회로에는 DVA를 구성하고 있는 질량과 스프링의 값에 등가하는 전기소자를 부착하였을 경우, 양 시스쳄 모두 미부착시의 각속도 변동량(혹은 전류량)을 똑같이 약 50% 감소시키는 효과를 얻을 수 있어, 전기적 모델링 기법의 정확성과 신뢰성을 확인할 수 있었다.

FDTD를 이용한 RF용 IC 회로 해석에 관한 연구

김우태 연세대학교 대학원 2003 국내석사

본 논문에서는 3차원 FDTD 방법으로 RF 용 IC 회로 해석을 위해 확장된 FDTD 방정식과 노턴 등가회로 연결법을 사용하였다. 기존에 연구된 노턴 등가회로 연결법에서 노턴 등가회로와 FDTD 알고리즘 연결을 안정적으로 이루어내기 위해 SPICE 모델 회로식의 이산화한 행렬식을 제안하여 간편히 적용할 수 있도록 하였다. 또한, 중심 주파수를 이동한 가우시안 신호를 입력신호로 제안하여 기존 가우시안 신호와 같은 펄스폭을 가지면서 대역폭을 2배정도 넓힌 광대역 주파수 응답 특성을 얻을 수 있도록 하였다. 그리고, 다양한 R, L, C 수동회로와 능동회로를 확장된 FDTD 방정식과 노턴 등가회로 연결법을 이용해 수치 해석함으로써 FDTD 방법을 이용한 RF 용 IC 회로 해석에 도움이 되도록 하였다. 3차원 FDTD 방법으로 전자기 문제를 해석하면 시간 영역에서 파의 전파와 산란 상태를 쉽게 관찰할 수 있고, FDTD로 해석한 시간 영역의 결과를 주파수 변환을 통해 광대역의 주파수 응답 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 제안한 FDTD 회로 연결 방법을 사용할 경우, 더 많은 분야와 넓은 범위에서 RF 용 IC 회로에 관한 정확한 광대역 해석이 가능해진다. 3차원 FDTD의 검증은 마이크로스트립 선로를 0-40 GHz 주파수 대역에서 임피던스와 반사계수 특성 그리고 틈새 특성을 통해 기존 시뮬레이터 결과 및 이론치와 비교하여 확인하였다. 3차원 FDTD의 흡수경계 조건으로 FDTD 연산 영역 외부에 UPML을 사용하였다. UPML의 모서리 영역에서의 흡수 성능을 최적화하여 3차원 FDTD 해석 시에 발생할 흡수 경계 조건에 의한 오차를 최대한 줄였다. 확장된 FDTD 방정식을 이용해 R, L, C 집중소자와 이상적 다이오드를 수치적으로 구현하여 마이크로스트립 선로 중간단에 삽입한 형태를 3차원 FDTD로 해석하고 ADS 결과와 비교해보았다. 또한, 확장된 FDTD 방정식을 이용한 R, L, C 소자의 직, 병렬, 혼합 회로의 구현 가능성도 확인하였다. 하지만, 확장된 FDTD 방정식을 이용한 회로 구현 방법에 한계와 문제점이 발견되었고, 이를 보완하기 위해서 노턴 등가회로를 이용한 SPICE 모델 연결 법을 사용하였다. 노턴 등가회로를 이용할 경우 쉽게 SPICE 회로를 FDTD 공간 격자에 삽입할 수 있기 때문에 복잡한 회로도 3차원 FDTD로 안정적으로 구현 할 수 있었다. 노턴 등가회로 삽입법의 타당성을 검증하기 위해서 일차적으로 R, L, C 단일 소자의 2포트 회로를 구현해 보았고, 이차적으로 R, L, C 소자들의 직, 병렬, 혼합 회로를 구성해 ADS 결과와 비교해 보았다. 마지막으로 이산화한 행렬식을 적용하여 MMIC용 MIM 캐패시터와 나선형 인덕터의 등가회로를 노턴 등가회로를 이용한 SPICE 회로에 연결하여 해석의 타당성을 검증하였다. 3차원 FDTD는 주파수가 높아지면서 발생하는 기생, 방사, 결합효과까지 자연적으로 해석에 포함된다. 따라서, 본 논문에서 제안한 이산화한 행렬식과 중심주파수를 이동한 가우시안 신호를 입력신호 사용하면 SPICE 회로를 연결한 3차원 FDTD 해석 방법을 이용하여 MMIC와 RF MEMS 같은 복잡한 회로를 간단하고 정확하게 해석할 수 있다. In this thesis, extended FDTD formulations and Norton’s equivalent circuit are used to analyze RF IC by using 3-dimensional FDTD method. Especially, discretization of matrix equation of SPICE model is proposed, and SPICE model is linked to 3-D FDTD method. 3-D FDTD method is widely used to analyze electromagnetic problems because wave propagation and scattering is easily observed in time domain. In addition, wide band frequency response can be acquired by transforming the calculated data in time domain. Therefore, if the proposed link method is used, more accurate FDTD analysis will be possible in the wider range of frequency. UPML is used as absorbing boundary condition outside of the FDTD calculation area. By optimizing the parameters of UPML, the error in absorbing boundary condition is minimized. To evaluate the reliability of 3-D FDTD method, microstrip line is simulated between 0 and 40 GHz. R, L, C lumped elements and ideal diode are numerically modeled using extended FDTD formulations. Then, the elements are inserted between the microstrip lines and analyzed by FDTD method and ADS simulation. However, there are limitation and problems in implementing circuit using extended FDTD formulations, so Norton’s equivalent circuit is used. By using Norton’s equivalent circuit, SPICE circuit can be easily inserted into grid, so complicated circuit can be implemented stably. First, 2-port circuit such as R, L, C is implemented to validate method of Norton’s equivalent circuit insertion. Second, series and parallel R, L, C circuits are implemented and compared with ADS simulation results. Finally, discretized matrix is applied to analyze MMIC MIM capacitor and spiral inductor for evaluation of the proposed method. 3-D FDTD includes all the high frequency phenomena such as parasitic effects, radiation, and coupling effect. Thus, complicated circuits such as MMIC and RF MEMS can be analyzed simply and accurately using SPICE circuit linked 3-D FDTD method.

等價回路에 依한 三相 Linear induction motor의 特性算定

주수원 漢陽大學校 大學院 1970 국내석사

열 연성 해석을 통한 1.2kW급 3륜 전동 스쿠터용 전폐형 유도전동기의 설계에 관한 연구

황홍식 부산대학교 대학원 2020 국내박사

최근 전 세계적으로 전기 자동차에 대한 관심이 높아지고 전기 자동차의 생산량이 증가하고 있다. 전기 자동차 견인용 전동기로는 대부분 출력밀도가 높고 고효율의 영구자석형 동기 전동기가 사용된다. 하지만 향후 폭발적으로 증가하는 전기차 시장에서 희토류 영구자석에 대한 수급의 어려움이 있다. 이에 반해 유도 전동기는 비록 영구자석형 동기 전동기에 비해 상대적으로 효율이 떨어지지만, 원자재 가격과 단순한 구조의 장점이 있다. 유도 전동기의 효율과 출력밀도 개선을 통해 동기 전동기와의 차이를 좁힌다면 향후 전기 자동차 시장에서 중요한 역할을 담당할 것이다. 본 연구에서는 3륜 전동 스쿠터에 유도 전동기 적용을 검토하였으며 유도 전동기의 출력밀도 개선을 위해 전류밀도를 설계변수로 한 열 연성 해석 프로세스를 제시하였다. 전류밀도를 키우게 되면 전동기의 출력밀도를 개선할 수 있으나 권선의 온도가 상승하는 문제가 발생한다. 따라서, 열 연성 해석을 통해 전동기의 온도 특성을 함께 검토해야 한다. 열 연성 해석 프로세스에서는 전류밀도와 표면 전류밀도를 변수로 하여 공극 자속밀도, 고정자 치 자속밀도, 고정자 요크 자속밀도를 자동 선정 가능하도록 프로세스를 구성하였다. 열 등가회로를 이용하여 TEFC 유도 전동기의 열 분포 해석 프로세스를 만들었다. 운전 속도에 따른 핀 내부 유속, 회전자 주변 대류 속도, 강제대류 및 자연대류를 고려하고 전동기 코어뿐만 아니라 하우징 구조까지 모두 고려하여 열 등가회로를 구성하였다. 유도 전동기의 온도 상승 실험을 통해 열 연성 프로세스에서 계산된 자연대류 조건 온도와 강제대류 조건 온도의 신뢰성 검증을 하였다. 열 연성 해석의 결과로 전류밀도와 표면 전류밀도 조합에 따른 유도 전동기의 효율, 온도, 출력밀도를 확인하였으며, 각 특성의 개선 방향이 상이한 것을 확인하였다. 일반적인 연구에서 사용되는 전류밀도 조합을 적용할 경우 본 연구의 3륜 전동 스쿠터의 공간 제약을 만족할 수 없었다. 동일한 권선 온도 조건을 기준으로 전류밀도 조합을 선택하여 출력밀도를 높이면서 동등 효율을 가지는 조합을 선택할 수 있었다. 열 저항 분석을 통해 최적 핀 수를 찾고 회전자 동손 저감을 통해 효율 및 온도 특성을 개선 설계하였다. 전류밀도를 설계 변수로 가지는 기존 연구들과 비교하여 본 연구는 전자계 성능과 열 특성까지 고려하여 개선 가능한 설계를 할 수 있다.

유도기의 누설자속이 철손에 미치는 영향을 고려한 π형 등가회로의 적용과 정수 결정법

서상수 漢陽大學校 大學院 1970 국내석사