실험계획법을 이용한 3kW급 선형 영구자석 발전기 자기회로 최적 설계 연구 :A study on Optimal Design of 3kw class Single Phase Linear Permanent Generator using Design of Experiment

오희재

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오희재 (전남대학교, 전남대학교 대학원)

지도교수: 박성준

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

실험계획법을 이용한 3kW급 선형 영구자석 발전기 자기회로 최적 설계 연구

오희재 전기공학과 2021.01 학위논문

2020

실험계획법을 이용한 단상 선형 영구자석 발전기의 무부하 특성 분석

오희재 , 김민석 , 이규석 외 3명 대한전기학회 학술대회 논문집 2020.07 학술대회자료

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본 논문은 실험계획법을 적용하여 3kW급 선형 영구자석 발전기의 자기회로 최적 설계를 연구하였다. 산업 혁명 이후 지속적인 화석연료의 사용은 대기오염과 지구온난화를 비롯한 다양한 환경문제를 유발하는 등 많은 문제점을 발생시키고 있다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하고자 친환경 대체에너지를 이용한 에너지 발전 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 폐열을 이용한 스털링 엔진 시스템은 폐열을 이용한 친환경 대체 에너지원으로 기존 회전형 내연기관 시스템과 달리 적은 비용, 고효율, 친환경 특성을 만족하게 할 수 있는 시스템으로 주목을 받고 있다. 최근 일본의 Rinnai과 유럽의 최대 난방 회사인 Baxi 중심으로 가정용 열병합발전시스템의 상용화 개발이 활발하게 연구되고 있다. 스털링 엔진의 구조는 밀폐된 실린더 안에 기체를 가둬 넣은 형태로 외부에서 가열, 냉각시킴으로써 높은 열효율을 가진다. 피스톤의 개수와 공기의 이동을 위한 디스플레이서 유무에 따라 분류되며 그중 자유 피스톤은 기계적 장치가 없이 스프링에 연결이 되어 소형으로 이용할 수 있다. 선형 발전기는 구조적인 형태에 따라 코일 가동형, 자석 가동형 선형 발전기로 분류되며, 이 중 자석 가동형 구조는 고속 운전이 가능하고, 제어가 용이하여 설계 모델로 선정하였다. 스털링 엔진에 적용되는 선형 영구자석 발전기의 발전 출력 3kW를 만족하면서, 요구 역기전력과 디텐트력을 만족시키기 위해 외측 고정자의 요크, 치의 길이와 내측 고정자 두께와 길이, 가동 자인 마그넷 길이와 스프링 마그넷의 길이를 변수로 설정하여, 실험계획법을 이용한 선형 발전기의 자기회로를 최적 설계하였다. 무부하 특성 중 역기전력과 디텐트력을 목적함수로 설정하고 각 목적함수에 1/2 부분 실험을 통해 인자에 대한 영향도를 분석하고 회귀방정식을 도출하여 다수준 일반 완전 요인 설계 통한 최종 모델의 치수를 도출하였다. 도출된 치수를 바탕으로 유한요소해석을 진행하여 다수준 일반 완전 요인 설계 결과와 상호 비교하였으며 평가 장치를 구성하여 실험계획법과 유한요소 해석법의 타당성을 검증하였다.

This paper studies the optimal design of a 3kW linear permanent magnet generator with experimental planning. Since the Industrial Revolution, the continued use of fossil fuels has caused many problems, including air pollution and global warming. Recently, energy development research using eco-friendly alternative energy has been actively carried out to solve these problems. In particular, the Stirling Engine System using Waste Heat is drawing attention as a system that can satisfy low cost, high efficiency and eco-friendly characteristics unlike conventional rotary internal combustion engine systems as an alternative energy source using waste heat. Recently, research on sterling engines has been actively conducted in developed countries. Commercialization of home combined heat and power systems is actively being studied, mainly by Rinnai in Japan and Baxi, Europe''s largest heating company. The structure of a sterling engine is highly thermal efficiency by heating and cooling the gas externally in an enclosed cylinder. It is classified according to the number of pistons and the presence of a display for air movement, among which free pistons are connected to springs without mechanical devices and are available in small sizes. Linear generators are classified as coil-operated and magnetically-operated linear generators according to their structural form, and the dual magnet-operated structure is selected as a design model because it is capable of high-speed operation and easy control. Satisfying the linear permanent magnet generator''s power generation output of 3 kW applied to sterling engines, the yoke of the outer stator, the length of the tooth and the thickness of the inner stator, and the length of the spring magnet are set as variables. We set weights and detentrics among no-load properties as objective functions, analyze their impact on factors through 1/2 partial experiments on each objective function, and derive regression equations to derive dimensions of the final model through multilevel general full factorial design. We confirmed errors within about 10[%] compared to multi-level general full factorial designs and finite element analysis, and compared them with analytical results using evaluation devices. The analysis results and thrust assessment were similar in 2?10 [A], but the analysis results and 3 [%] errors were identified in 12?14 [A]. Experiments on the findings demonstrate the usefulness of experimental planning and interpretation.

#선형발전기 #리니어발전기 #선형영구자석발전기 #실험계획법

1. 서 론 7
가. 연구 배경 7
나. 연구논문 목적 및 내용 8
다. 연구논문의 구성 8
2. 스털링 엔진이 적용된 선형 발전기 모델 10
가. 분류 10
1) 스털링 엔진의 분류 10
2) 선형 발전기의 분류 13
나. 선형 발전기의 회로 14
1) 스털링 엔진의 기계적 회로 14
2) 스털링 엔진의 전기적 회로 16
다. 최대 출력 공식 19
3. 실험계획법을 적용한 최적 설계 23
가. 실험계획법 23
1) 요인설계 23
2) 다수준 완전요인 23
나. 목적함수 및 인자 선정 24
다. 선형 발전기 최적설계 27
1) 영향도 분석 27
2) 최적모델의 특성분석 30
가) 무부하 특성분석 30
나) 부하 특성분석 34
4. 선형 발전기 제작 및 평가 37
가. 발전기 제작 37
나. 발전기 평가 38
1) 무부하 평가 38
가)디텐트력 평가 38
나)역기전력 평가 40
2) 부하평가 41
가) 부하 평가 41
나) 정추력 평가 43
5. 결론 45
참 고 문 헌(Reference) 46
영문초록(Abstract) 49
감사의 글 50

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