소선박 추진용 1MW급 초전도 모터의 설계 및 특성 분석에 관한 연구

1.1 선박 추진용 모터의 개요

선박과 선박 무역로의 발달은 인류의 역사만큼 오랜 역사를 가지고 있으며 이런 선박의 개발은 19세기 이전 작고 단순한 항해 용 선박에서 19세기 후반에는 더 크고 복잡한 고속 클리퍼 선박까지 발달하였으며 이후 전 세계적으로 석탄 자원이 풍부해지면서 증기선이 출현하기 시작했다[1]. 이런 항해 추진 기술과 동시에 18세기와 19세기 기계 및 유체 역학 기술도 발달하여 추진 속도가 빨라질 수 있는 계기가 되었는데 그 당시 피스톤 왕복 엔진 방식의 보일러로 구성된 증기 엔진으로 시작됐다. 19세기 말에는 증기 터빈이 채택되었으며 이후 디젤 엔진이 발명되어 1912년에는 해상 화물선인 Selandia호에 적용되었다. 또한 가스 터빈은 해군 선박의 고속 및 스프린트 동작 필요성에 선박 추진 방법으로 등장했는데 선박 추진을 위해 항공기 엔진을 이용한 시스템이었다. 현재 주를 이루는 추진시스템으로 디젤전기 추진시스템이 있는데 최초 유람선에 적용하기 위해 개발되었다. 이는 기술적으로 증기 터빈 구동 선박과 유사한 저소음 및 저진동화를 목표로 했으며 강인한 추진시스템과 객실의 정숙성, 화물 적재량 등의 경제성 등 많은 장점을 가지고 있다[2].

1.2 선박 추진용 모터의 분류

선박추진 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전기기기로서 초기에는 DC 모터가 주로 사용되었지만 회전자의 구조가 복잡하고 유지 관리가 어렵 기 때문에 최근에는 거의 사용되지 않고 있다. 그러나 전력 반도체 기술의 발달로 AC 모터의 제어가 용이해 지면서 점차 현재는 유도기, 동기기 및 PMSM이 전기 추진 시스템에 주로 사용되고 있다. Figure 1은 선박 추진을 위한 모터의 분류를 보여주고 있다.

Figure 1:

Classification of motor for ship propulsion

1.3 초전도 모터의 동향

일반적으로 기존의 대형 전기 모터는 90~97%의 효율을 나타내지만 초전도 모터는 약 99%에 가까운 효율을 달성할 수 있다. 특히 저속운전 시 초전도 모터의 적용은 연료 및 배출 가스를 줄일 수 있고, Figure 2과 같이 동급 출력의 기존 모터보다 작고 전력 밀도가 높다; 기존 모터의 경우 약 5 kW/kg에 비해 초전도 모터는 약 30 kW/kg의 비출력을 나타낸다[3]. 2009년 1월에 American Superconductor Corporation (AMSC) 36.5 MW 고온 초전도 선박 추진 모터의 통합 전력 지상 테스트를 성공적으로 완료했다고 발표했으나 현재 선박에서 적용되어 추진시스템에 사용하는 초전도 모터는 없다[4].

Figure 2:

Dimension comparison of the 36.5 MW motor with a conventional

2.1 소선박 추진을 위한 1 MW급 초전도 모터의 구성

Figure 3은 1 MW 초전도 모터의 구성을 나타내고 있으며 초전도 모터는 크게 고정자와 회전자 부분으로 나누어 볼 수 있다. 초전도 모터와 상용 모터의 차이점은 회전자에 초전도 모터의 필드 코일이 초전도 선재로 구성되고 계자 코일의 냉각을 위해 냉각 시스템 및 극저온 용기가 필요하다는 것이다. 고정자 부분은 고정자 치, 고정자 권선 및 자기 차폐층으로 구성되며 실온에서 동작된다. 회전자 부분은 계자코일이 부착되는 회전체와 계자코일 그리고 극저온 환경을 유지하는 극저온 용기로 30 K의 극저온 환경에서 동작된다. Table 1은 초전도 모터의 각 구성 요소의 재료를 보여주고 있다.

Figure 3:

Configuration of the 1 MW superconducting motor

Table 1:

The material of each component of the superconducting motor

극저온 용기인 Cryostat의 재질은 극저온 환경에서 우수한 저온 취화 특성을 나타내는 스테인리스 스틸로 구성되어 있고, 고정자 치는 비자성 특성을 가지는 강화 유리섬유 플라스틱(GFRP)으로 구성되어 있다. 자기 차폐층의 재질은 철의 한 종류인 M-27 25 Ga로 회전자의 자기 밀도를 높이는 목적으로 사용하였다. 계자 코일의 형상은 레이스 트랙 형상이고, 2개의 코일이 적층되었다. 고정자 권선은 이층권과 분포권을 적용하였다. Table 2는 1 MW 초전도 모터의 기본 설계 조건을 보여준다. 정상 상태에서 정격 전압은 3.3 kV이고 회전자의 회전 속도는 190 rpm이며, 동작 온도는 30 K이다.

Table 2:

Fundamental structure of the 1 MW superconducting motor

2.2 1 MW급 초전도 모터의 수학적 설계

고정자에 교번 전류가 인가되면 고정자 자계는 상호 작용에 의해 만들어지고, 회전자는 영구자석 또는 전자석의 자계를 가지고 있으므로 토크는 고정자 주권선의 회전 자계와 회전자 자계의 상호 작용에 의해 발생된다. 즉, 두 자계가 정렬되질 때 기기가 회전하며 토크가 발생되고, 자기장의 회전 속도를 동기 속도라고하며 다음과 같이 정의된다.

여기서 fe는 여기 주파수 (Hz)이고 p는 회전자의 극 수 이다. 고정자 전류는 고정자의 자기장을 생성하여 회전자의 권선에서 발생하는 자기장과 상호 작용을 하고, 이결과로 토크는 고정자 BS의 회전 자기장과 회 전자 자기장 BR의 상호 작용에 의해 발생한다. 두 자기장에 의해 유도 된 토크는 다음 방정식으로 정의된다.

식 (2)에서 k의 값은 BR 및 BS를 표현하는데 사용 된 단위 시스템에 의존하는 상수이다. 두 필드가 정렬하려고하면 토크가 생성되고 기계가 회전한다. 동기식 기계의 출력전력은 다음 방정식으로 계산된다.

여기서 Bso는 고정자 권선에서 최대 방사 자속 밀도이며, 3상 고정자 권선의 전류와 마찬가지로 kw는 기본 고조파 권선 계수이며, D는 고정자 내경, L은 모터의 유효 축 길이이며 Ns는 회전 속도이다. 고정자 자속 밀도는 다음 방정식으로 계산된다.

여기서 D는 고정자 직경이고, μo는 자유 공간의 투과성이며, Nf는 계자 코일의 회전수이며, 계자 전류 인 경우 Rf는 계자 권선의 반경이다. 3 상 고정자 권선의 전류는 회 전자 자속 밀도로부터 계산된다.

여기서 Tph는 권선 수이고 Is는 고정자 권선의 위상 전류이다[5].

2.3 2G HTS 선재의 사양

1 MW 초전도 모터의 필드 코일은 ㈜서남의 Yttrium barium copper oxide (YBCO) 선재를 사용하여 설계되었다. YBCO 선재의 자세한 사양은 Table 3에 요약되어 있다 [6].

Table 3:

Characteristics of the superconducting wire

Figure 4는 YBCO 선재의 Ic-B 곡선을 보여준다. 초전도 선재의 중요한 특성은 자기장의 크기와 입사각에 따라 다른데 YBCO 선재는 수직 자기장에 의해 크게 영향을 받는 테이프 형태이기 때문에 수직 자기장에 의해 임계 전류가 선택되었다. 초전도 필드 코일의 전류는 와이어 임계 전류의 40% 안전 마진을 적용하여 결정되었다.

Figure 4:

Ic-B curves of YBCO wire depending on the operating temperature

3.1 Taguchi 방법을 사용한 초전도모터의 최적설계

본 논문에서는 모터의 전자기 설계 과정에 Taguchi 방법을 사용하여 목적 요인에 가장 적합한 매개 변수를 도출하였으며[7], 그 결과로 설계된 1 MW 초전도 모터의 사양은 Table 4에 요약되어 있다. 초전도 모터의 직경과 축 길이 및 필요한 초전도 선재의 길이는 각각 1.4 m, 0.77 m 그리고 8.8 km이다.

Table 4:

Specifications of the superconducting motor using the Taguchi method

Figure 5는 회전기의 구조상 발생되는 자기장의 형태가 대칭 이므로 전체 초전도 모터의 해석 시간을 단축하기 위하여 초전도 모터의 1/6 모델에 대한 해석을 진행하였으며, 초전도 모터의 자기장 분포와 수직 자기장의 분포를 보여준다. 최대 자속 밀도는 초전도 계자 코일의 내부 곡선부에 위치한다. 최대 자기장은 3.56 T이다. 또한, 최대 수직 자속 밀도는 초전도 필드 코일의 위쪽에서 발생하며 최대 수직 자기장은 2.05 T이다.

Figure 5:

Magnetic felid and perpendicular magnetic felid distribution of superconducting motor

3.2 결과분석

위의 설계된 사양을 토대로 전자기 해석 프로그램을 이용한 해석결과 190 rpm의 정상상태에서의 정격 토크는 아래 Figure 6과 같이 55.2 kN·m로 나타났으며 단위를 환산하면 5,632 kg·m이며, 출력 공식에 의하여 P=ω×τ 이므로 약 1.1 MW가 출력됨을 해석을 통하여 검증하였다.

Figure 6:

Output torque of the 1 MW superconducting motor

Author Contibutions

Conceptualization, J.R Seo and M. Park; Methodology, J.R Seo; Software, J.R Seo; Validation, J.R Seo and M. Park; Formal Analysis, J.R Seo; Investigation, J.R Seo; Resources, J.R Seo; Data Curation, J.R Seo; Writing—Original Draft Preparation, J.R Seo; Writing—Review & Editing, Corresponding J.R Seo; Visualization, J.R Seo; Supervision,M. Park; Project Administration, M. Park; Funding Acquisition, M. Park;