고속 전동기의 구조 및 진동해석용 설계 지원시스템 구축

Abstract

고속 전동기와 전력 변환 장치로 구성된 고속 전동기 시스템은 고속 회전을 이용하여 일반 산업용 전동기에 비교하여 소형, 경량, 고출력 및 고 효율 성능을 얻을 수 있는 구동장치이다. 고속 전동기는 최근에 산업 기술의 발전, 고도화로 인하여 고속 회전을 요구하는 터보기기, 터보펌프(원심펌프, 진공펌프, 가스펌프), 연료 전지용 공기공급 장치, 공작기계용 고속 스핀들 시스템 등의 다양한 산업 분야에 이용되며, 마이크로 터빈용 고속 발전 시스템, 플라이휠 에너지저장장치, 항공기용 고속 발전 장치, 군용 소형 전원장비 등 에너지 분야의 초고속 회전기계(전동기, 발전기)의 연구가 활발히 진행 중이다. 미국의 Calnetix, 스위스의 EnA 등에서는 이미 상업적인 제품을 출시하고 있는 상황이다. 반면 국내 연구의 경우 전기연구원과, 일부 산업체 만이 연구를 수행하는 실정이다. 이에 국내 산업 전반의 연구, 설계 능력을 높이기 위하여 보편성과 편의성을 가진 해석, 설계 지원 프로그램의 필요성이 부각되고 있다.

본 연구에서 대상으로 하는 전동기는 정격속도 50,000rpm, 부하 150kW이고, 전동기 설계 단계에서 요구되는 전동기 회전자의 구조 해석, 회전자 축계의 해석을 지원하는 시스템을 구축하는 것을 목적으로 한다. 고속전동기의 설계 시에 요구되는 회전자 원심력에 의한 잔류 응력해석, 위험 속도 이상에서 운전되는 축계에 대한 진동에 대한 고려를 위해 상용 해석 프로그램을 많이 사용하고 있다. 대표적으로 ANSYS, NASTRAN등의 상용 소프트웨어를 사용하고 있으나, 이러한 프로그램은 기능의 다양성, 신뢰성을 가지고 있지만 사용자가 전문적 지식을 갖추어야 하며 프로그램의 가격이 일반 중소기업이 소유하기에는 높은 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 비전문가가 사용할 수 있도록 편의성과 접근성을 갖추고 일반 상용 프로그램과의 비교를 통하여 신뢰할 수 있는 프로그램이 필요하게 되었다. 더불어 이런 이론적 접근을 보완 할 수 있는 실험적 접근에 대한 고려도 필요성이 요청되고 있다. 모드시험(모드시험)는 시스템 동정을 위해 가장 유용하게 쓰이는 방법이다. 모드시험 실험 방법은 전문적 지식이 필요하며, 고가의 장비가 필요하여 일반 중소기업의 사용하기 어려운 것이 현실이다. 그래서 본 논문에서는 이러한 단점을 보완 할 수 있는 저가의 장비와 모드시험 만을 위한 전용 소프트웨어를 제안한다.