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Underwater drone, Integrated propulsor, Hubless propeller, Surface mounted permanent magnet synchronous motor, Response surface method

1. 서 론

수중 드론은 해양분야 4차 산업혁명의 핵심 중 하나로 해양탐사 및 관측뿐만 아니라 대형선박 하부조사, 양식장과 댐 관리, 레저 등 다양한 산업분야에서의 활용가치가 높은 장비이다 (1). 수중 드론의 추진을 위해서는 프로펠러와 전동기로 구성된 추진기가 설치되어야 한다 (2). 일반적으로 수중 드론용 추진기는 허브와 축으로 구성된 프로펠러가 사용되어진다. 최근 에너지 효율 향상 기술에 대한 연구가 집중되면서 추진기의 수력효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 대표적으로 허브와 축이 없는 허브리스 프로펠러에 대한 연구이다 (3).

허브리스 프로펠러의 토크 전달을 위해서는 전동기가 프로펠러와 체결되어야 하므로 프로펠러의 덕트 내에 배치가 되어 일체형 추진기가 된다. 일체형 추진기는 프로펠러와 전동기의 체결을 위한 회전축이 필요가 없어 구조적으로 간단하며 허브, 축, 전동기로 인한 수력 저항을 최소화할 수 있어 추진 효율이 높은 장점이 있다 (4-5). 일체형 추진기의 전동기 사이즈에 따라 프로펠러의 덕트 형상이 커지게 되므로 추진기의 높은 수력 효율을 위해서는 전동기의 사이즈 최소화와 체결이 간단한 구조를 고려하여 전동기가 설계되어야 한다. 그러므로 본 논문에서는 수중 드론용 일체형 추진기의 프로펠러와 전동기의 회전자 체결을 위한 프로펠러 구조를 고려한 전동기의 요구 사양을 도출하고 사양 만족하기 위한 설계 및 특성 분석을 수행하였다. 설계된 프로펠러에 고정 핀을 추가하여 체결이 가능한 구조를 제안하고 응력 해석을 통해 안전율을 도출하고 검증하였다. 전동기 설계의 경우 사이즈 제약 조건에서의 기본 설계를 수행하고 회전자에 고정 핀용 홀 추가로 프로펠러와 체결 가능하도록 하였으며 홀에 의한 전동기의 성능을 검증하였다. 전동기의 요구 사양과 성능 향상을 위해서 반응표면법 (RSM: Response surface method)을 이용한 최적 설계를 제시하였다. 설계의 타당성은 유한요소법을 이용한 전자계 해석 결과와 열 해석을 통해서 입증하였다.

2. 수중 드론용 일체형 추진기

2.1 허브리스 프로펠러

그림 1은 일체형 추진기의 구조와 프로펠러의 추력 및 토크 곡선을 나타낸다. 일체형 추진기는 추력 발생을 위한 프로펠러와 프로펠러에 토크를 전달하기 위한 전동기로 구성된다. 프로펠러는 회전축이 없는 허브리스형이며 5개의 블레이드를 갖는 구조이다. 일체형 추진기용 전동기의 회전자 내경에 허브리스 프로펠러의 외경이 결합되는 구조로 회전을 위한 축과 허브가 없는 구조이다. 프로펠러의 추력 $T$과 토크 $Q$는 다음과 같이 나타낼 수 있다 (6).

(1)
$T=K_{T}\rho n^{2}D_{p}^{4}$

(2)
$Q =K_{Q}\rho n^{2}D_{p}^{5}$

여기서 $\rho$는 물의 밀도, $n$은 초당 회전수, $D_{p}$는 프로펠러의 직경을 나타낸다. 추력 및 토크 곡선은 전산 유체 역학 (CFD: Computational fluid dynamics) 해석 통해 도출하였으며 졍걱속도 3000rpm으로 회전하는 상태에서 진보계수 $J$가 0.6일 때 추력계수 $K_{T}$는 2, 토크계수 $K_{Q}$는 30으로 이 때의 정격추력은 25N이다. 프로펠러에 토크전달을 위한 일체형 추진기용 전동기는 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(SPMSM: Surface mounted permanent magnet synchronous motor)로 선정하였다.

그림. 1. 일체형 추진기 (a) 구조 (b) 추력 및 토크 곡선

Fig. 1. Integrated propulsor (a) Structure (b) Thrust and torque curves

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표 1. 일체형 추진기의 사양

Table 1. Specification of integrated propulsor

Item

Value

Propeller type

Hub-less

Number of blades

5

Rated thrust (N)

> 25

Rated torque (Nm)

0.3

Rated speed (rpm)

3000

Motor type

SPMSM

전동기의 토크를 프로펠러에 전달하기 위해서는 프로펠러와 전동기 간의 기구적 체결이 되어야하므로 프로펠러 외경에 4개의 고정 핀을 추가하였다. 그림 2는 전동기의 회전자와 프로펠러의 고정을 위한 고정 핀이 포함된 허브리스 프로펠러의 형상과 응력해석의 결과를 나타낸다. 프로펠러의 재질은 허용 응력이 30Mpa인 ABS 플라스틱으로 고정핀에 받는 토크에 대한 안전율 검증이 필요하다. 프로펠러의 안전율 $SF$은 다음과 같이 표현할 수 있다 (7).

(3)
$SF=\dfrac{\sigma_{M}}{\sigma_{W}}$

여기서 $\sigma_{M}$는 허용 응력, $\sigma_{W}$는 사용 응력을 나타낸다. 안전율은 약 6.45로 프로펠러의 응력 문제가 없음을 확인하였다.

그림. 2. 허브리스 프로펠러의 형상과 응력해석의 결과

Fig. 2. Shape of hub-less propeller and result of stress analysis

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig2.png

표 2. 전동기의 요구 사양

Table 2. Requirement specification of motor

Item

Value

DC link voltage

12V

Rated torque (Nm)

> 0.3

Rated speed (rpm)

3000

Input power (W)

< 120

Efficiency (%)

> 80

Cogging torque (mNm)

< 5

Torque ripple (Nm)

< 25

Inner diameter of rotor (mm)

51

Outer diameter of stator (mm)

< 79

Thickness of motor (mm)

< 18

2.2 일체형 추진기용 전동기

표 2는 전동기의 요구 사양을 나타낸다. 전동기의 구동을 위한 제어기의 전원전압은 12V이며 정격속도 3000rpm에서 토크는 0.3Nm이상, 전동기의 입력전력은 120W이하, 효율은 80%이상, 코깅 토크는 5mNm이하, 토크 리플은 25mNm 이하가 되어야한다. 일체형 추진기에서 전동기는 프로펠러의 덕트 역할을 하므로 수력 효율에 영향을 미치게 된다. 그러므로 사이즈에 대한 제한 조건이 요구되며 전동기 측면에서는 회전자의 내경이 51mm, 고정자의 외경은 79mm 이하, 모터의 두께는 18mm 이하가 되어야한다.

수중드론의 순간 고속운전을 위해서 최고 속도 6000rpm까지 구동이 되도록 상전압 제한 조건은 다음과 같이 표현할 수 있다.

(4)
$V_{s\max}=\dfrac{V_{dc}}{\sqrt{3}}\eta$

여기서 $V_{dc}$는 제어기의 DC링크 전압, $\eta$은 제어 여분으로 0.95로 선정하였다. 상전압 제한 조건을 고려한 한상의 기전력의 선정을 위한 수식은 다음과 같이 표현할 수 있다 (8).

(5)
$E=\dfrac{\pi^{2}}{\sqrt{2}}\dfrac{k_{w1}T_{ph}BDL_{stk}f}{p}$

여기서 $k_{w1}$는 기본 고조파 권선 계수, $T_{ph}$는 상당 턴수, $B$는 자기 장하, $D$는 공극의 직경, $L_{stk}$은 스택 길이, $f$는 기본 주파수, $p$는 극 쌍수를 나타낸다. 전동기의 사이즈 결정을 위한 단위 회전자의 부피당 출력 토크 $TRV$는 다음과 같이 표현할 수 있다 (8).

(6)
$TRV=\dfrac{T_{e}}{V_{r}}=\dfrac{\pi}{\sqrt{2}}k_{w1}AB\left(A=\dfrac{2m T_{ph}I}{\pi D}\right)$

여기서 $T_{e}$는 전동기의 출력 토크, $V_{r}$은 회전자 부피, $A$는 전기 장하, $m$은 상수, $I$는 상전류를 나타낸다. 수식(5)(6)을 이용한 초기 모델의 $TRV$는 7.56kNm/m3으로 소형 전동기 범위에 속하며 사양은 표 3과 같다 (8). 고정 핀이 있는 프로펠러와 회전자의 체결을 위해서 회전자에 홀이 추가되어야 하며 홀 형상에 따른 성능 확인을 위해서 그림 3과 같이 정격 부하에서의 자속선도를 비교하였다. 초기 모델과 고정 핀용 홀 추가 모델의 자속선도는 동일하며 성능에 영향 없음을 확인하였다.

3. 전동기의 최적 설계

전동기의 요구 사양 만족과 성능 향상을 위해 전동기의 최적 설계에 널리 사용되는 실험단계, 모델 구축, 다양한 요인의 영향 평가 및 최적 조건 검색을 위해 RSM을 사용하였다 (9-11). 그림 4는 전동기 제작비용을 고려하여 영구자석의 사용을 최소화하기 위한 최적 설계 인자의 선정을 나타낸다. 설계 인자의 초기 설계값은 슬롯 오프닝(SO: Slot opening)는 3mm, 자석 아크(MA: Magnet arc)는 전기각 160°, 자석 감소(MR: Magnet reduction)는 1mm이다.

전동기의 요구 사양 중 효율, 입력전력, 출력토크, 코깅토크 및 토크리플을 제약조건으로 선정하였다. 주 효과도 확인을 위한 SO, MA 및 MR의 범위는 1 ~ 5mm, 120 ~ 165°, 0 ~ 2mm로 선정하였다.

표 3. 전동기의 초기 사양

Table 3. Initial specification of motor

Item

Value

Slots/Poles

12/16

Stator core

M350-50A

Rotor core

M350-50A

Magnet

N30UH

Rated current (A)

15

Outer diameter of stator(mm)

78

Inner diameter of stator(mm)

62

Air gap (mm)

1.5

Magnet thickness (mm)

2

Stator length (mm)

10

Rotor length (mm)

12

Magnet length (mm)

12

Slot opening (mm)

3

Magnet arc (electrical degree)

160

Magnet reduction (mm)

1

그림. 3. 모델의 형상에 따른 자속선도 (a) 초기 모델 (b) 고정 핀용 홀 추가 모델

Fig. 3. Flux lines according to geometric of model (a) Initial model (b) Model with hole for fixing pin

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그림. 4. 설계 인자의 선정

Fig. 4. Selection of design factors

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig4.png

그림 5는 제약 조건 내에서의 주 효과도를 나타낸다. 정격속도 3000rpm에서 추력 25N을 내기 위해서는 그림 2와 같이 출력 토크는 0.3Nm 이상이 되어야한다. 주 효과도에서 출력 토크가 0.3Nm이상이 되는 구간은 SO는 2.5mm 이상이고 MA는 140°이상이 되어야 함을 확인할 수 있다. 그러나 MR의 값은 증가할수록 출력토크 및 효율 측면에서는 저하되고 코깅토크, 토크리플 및 입력전력 측면에서는 향상됨을 확인할 수 있다. MR의 초기 선정 범위를 그대로 선정하여 반응표면결과를 도출할 필요가 있다. 그러므로 SO, MA 및 MR의 범위는 3 ~ 5mm, 140 ~ 165°, 0 ~ 2mm로 재선정하였다.

그림. 5. 주 효과도

Fig. 5. Main effect plots

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../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig5_2.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig5_3.png

그림 6은 효율, 입력전력, 토크리플, 코깅토크, 출력토크에 대한 반응 표면법의 결과를 나타낸다. 최종 설계 인자는 전동기의 요구사양을 모두 만족하는 범위에서 제작을 고려한 치수로 SO는 5mm, MA는 165°, MR은 1.85mm로 결정하였다. 그림 7표 4는 초기 모델과 최적 모델을 형상과 고정자, 회전자 및 영구자석의 무게 비교를 나타낸다. 초기 모델과 비교하여 최적 모델의 무게는 5.6% 감소됨을 확인할 수 있다.

그림. 6. RSM의 결과

Fig. 6. Results of RSM

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig6.png

그림. 7. 초기 모델과 최적 모델의 형상 비교

Fig. 7. Geometric comparison of initial model and optimum model

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig7.png

표 4. 초기 모델과 최적 모델의 무게 비교

Table 4. Weight comparison of initial model and optimum model

Item

Initial model

Optimum model

Stator weight (g)

71.0

68.6

Magnet weight (g)

24.9

22.2

Total weight (g)

95.9

90.8

4. 시뮬레이션

최적 모델의 성능에 대한 유효성을 검증하기 위해서 유한요소해석을 기반으로 초기모델, 최적 모델, 해수에서의 최적 모델 (Water)의 전자계 해석과 열 해석 결과는 그림 8과 같다. 초기 모델과 최적 모델의 해석 조건은 단순 전기적 성능 검증을 위해서 주위온도 20℃에서 권선 및 영구자석의 온도를 40℃로 가정하고 해석한 시뮬레이션이며 해수에서의 최적 모델은 수중 상태에서 연속 정격 운전을 하였을 경우의 온도 과도 상태 시뮬레이션 결과를 도출하였다.

그림 8(a)는 정격속도 3000rpm에서의 무부하 상 역기전력의 비교를 나타낸다. 초기모델은 2.36Vrms이며 최적 모델은 영구자석 감소로 인해 2.28Vrms로 감소하였다. 그림 8(b)는 코깅 토크의 비교를 나타낸다. 초기모델은 25.89mNm이며 최적 모델은 3.64mNm으로 약 86% 저감되었다. 그림 8(c)는 출력 토크 비교를 나타낸다. 초기 모델은 0.321Nm이며 최적 모델은 역기전력 감소인해 0.311Nm으로 떨어졌지만 요구 사양에는 만족한다. 전동기의 전류밀도가 12.63A/mm로 높지만 수냉 방식의 범위인 10 ~ 30A/mm 이내이며 일체형 추진기가 수중에서 동작하며 전동기의 표면에 직접적으로 해수가 유입되므로 높은 전류밀도로 인한 발열을 냉각 시킬 수 있으므로 이를 고려한 해석을 통해 성능 검증이 필요하다 (7). 그림 8에서 최적 모델 (Water)의 역기전력 2.20Vrms, 코깅토크 3.22mNm, 토크리플 20.49mNm, 출력 토크 0.302Nm로 온도에 의한 영구자석의 쇄교자속 감소로 인한 성능 저하가 있지만 요구 사양에는 모두 만족함을 확인할 수 있다. 그림 8(e)는 해수에서의 최적 모델 (Water)의 효율맵을 나타낸다. 최고 속도 6000rpm에서 0.3Nm를 유지하며 운전 범위 내 최고 효율은 87%임을 확인할 수 있다. 그림 8(e)는 수중상태를 고려한 전동기의 온도해석 결과를 나타낸다. 온도가 가장 높은 지점은 권선으로 84.5℃이며 나머지 고정자, 회전자, 영구자석은 48℃이하로 성능에 문제가 없음을 확인하였다.

표 5는 초기모델과 최적모델의 특성 비교 결과를 나타낸다. 초기모델과 비교하여 최적모델의 출력토크는 0.321Nm에서 0.311Nm으로 감소하였지만 코깅토크 리플은 25.89mNm에서 3.64mNm, 토크 리플은 27.32mNm에서 20.52mNm, 입력전력은 123.11W에서 119.39W, 효율은 81.82%에서 81.94%로 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 최적 모델과 비교하여 수중 상태에서의 전동기의 성능은 온도상승에 따른 영구자석의 쇄교자속 감소로 인해 출력토크는 0.302Nm로 감소하여 코깅토크은 3.22mNm, 토크리플은 20.49mNm, 입력 전력은 118.25W, 효율은 80.22%로 감소됨을 확인할 수 있다. 최종적으로 수중 드론용 일체형 추진기의 연속 운전과 수중에서의 구동 환경을 고려한 시뮬레이션 결과는 요구사양을 모두 만족함을 확인할 수 있다.

그림. 8. 전자계해석 및 열 해석의 결과 (a) 역기전력 (b) 코깅 토크 (c) 출력 토크 (d) 효율맵 (e) 온도 해석 (해수)

Fig. 8. Results of electromagnetic analysis and thermal analysis (a) BEMF (b) cogging torque (c) Output torque (d) Efficiency map (e) Thermal analysis (Water)

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../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig8_2.png

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.7.1010/fig8_3.png

표 5. 초기모델과 최적 모델의 특성 비교 결과

Table 5. Characteristic comparison results of initial model and optimum model

Item

Initial

(20℃)

Opti.

(20℃)

Opti.

(Water)

Cogging torque ripple (mNm)

25.89

3.64

3.22

Torque ripple (mNm)

27.32

20.52

20.49

Input Power (W)

123.11

119.39

118.25

Efficiency (%)

81.82

81.94

80.22

Output torque (Nm)

0.321

0.311

0.302

5. 결 론

수중 드론용 일체형 추진기의 추력 효율 향상을 위해서는 설계된 프로펠러와 체결되는 전동기의 체결 구조 단순화, 사이즈 최소화 및 성능 향상이 요구된다. 본 논문에서는 프로펠러와 전동기의 체결 구조 단순화를 위한 고정 핀 구조를 제안하였으며 제안된 프로펠러 구조를 고려한 전동기의 기본 설계와 최적설계를 수행하고 초기 모델과 비교하여 최적 모델에서 전동기의 무게는 약 5.6% 감소하면서 전동기의 요구사양을 만족함을 확인하였다. 설계의 타당성은 프로펠러의 응력해석과 전동기의 전자계 해석 및 열 해석을 통해 입증하였다.

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저자소개

김성안(Sung-An Kim)
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He received the B.S degree, M.S degree and Ph.D. degree in electrical engineering from Dong-A University, Busan, Korea in 2011, 2013 and 2018.

He has been working as a senior researcher at Korea Marine Equipment Research Institute.

His research interests include electrical machines and power electronics.