[논문]고속전철 와전류 제동장치 설계와 특성해석 및 실험

정수진; 강도현; 김동희

고속전철 와전류 제동장치 설계와 특성해석 및 실험
Design and Analysis of Eddy-Current Braker for High-Speed Train 원문보기

정수진 (영남대 공대 전기공학과) , 강도현 (한국전기연구원 Mechatronics그룹) , 김동희 (영남대 공대 전기공학과)

The brake systems of high-speed train are to be equipped with three different brake systems, such as regenerative brake with regenerative feedback in driving car, a pneumatic disc brake, and non-contact linear eddy-current brake(ECB). The regenerative brake and the pneumatic disc brake are acting on the wheels. Their achievable braking force depends on the adhesive coefficient, which is influenced by the weather condition and speed, between the wheel and The linear eddy current brake gets an economical solution in the high-speed train because of the independence of the adhesive coefficient, no maintenance needed. and the good control characteristics. The braking force and the normal force of ECB for korean high-speed train are analysed by the 2D FEM(Finite Element Method). Finally the normal force is compared with the experiential values to verify the analysis.

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문제 정의

본 논문에서는 한국형 고속전철의 비접촉 와전류 제동장치의 설계와 제동특성을 2D-FEM을 적용하여 과도특성 해석을 수행하였으며 제작된 시제품의 전자석을 실험하여 해석 결과와 실험결과를 비교함으로써 설계 및 해석의 타당성을 검토하였다.

가설 설정

그림 2의 설계모델에서 공극, 철심, 레일에 필요한 기자력 (NI)는 암페어의 법칙을 적용하였으며, 공극의 자기 저항이 크므로 기자력이 공각에 소요된다고 가정하여 필요한 기자력(NI)를 산정하였다.

제안 방법

설계된 제동장치 마그네트 폭이 55[mm]로 제작됨에 따라 마그네트폭 65[mm]와 55[mm]에 대한 해석과 55[mm]의 실험을 수행하였다" 와전류 세동장치의 실험중 제동력은 열차의 속도와 비슷한 환경을 갖는 플라이 휠의 제작 곤?계로 실험이 불가능하였다. 또한, 제동장치의 공극 불균형으로 평2 공극을 X[mm]로 흡인력 실험을 수행 해석값과 실험 값을 비교하였다.
결정된 최적 극수를 바탕으로 코일의 창 면적을 동일하게 둔 후 코일의 폭과 높이를 변경시켰을 때 단위중량당 제동력을 최대로 발생시키는 창 면적을 찾기 위해 표 3의 경우에 대하여 제동력을 해석하였다. 각 경우에 대한 10극 제동장치가 발생하는 결과를 그림 5에 나타내었으며, 각 Type에서Sc가 증가할수록 제동력은 감소함을 알 수 있다.
그림 2에 나타낸 와전류 제동장치 전자석 1개의 치수 사양을 대상으로 극 간격(r)과 코일 창 폭(&)의 최적비(r/S) 를 산정하여 속도 350[km/h]에서 극 당, 단위 중량당 최대제동력을 발생시키는 최적 극 수를 찾기 위해 8, 10, 12극 일 때의 제동력을 2차원 유한요소 해석을 통하여 산정 하였다. 표 1에서 제동장치의 중량중 철심의 중량은 극수에 상관없이 모두 동일하나 전기적 입력이 같기 위해서는 1극당 저항이 달라야 하기 때문에 1극당 코일창 면적이나 기자력이 전체 극수에 따라 차이가 있다.
대상으로 전류밀도를 만족하는 권선을 KS규격에 의거하여 평각 동선 2[mm]x4.5[mm]로 결정하였다.
가장 큰 값을 나타낸다. 따라서, 본 논문에서는 단위 중량당 제동력이 크게 나타나는 10극으로 결정하였다.
5[kN]의 제동력을 요구하므로 이 조건을 만족하면서 단위중량당 제동력도 만족시켜야 한다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 조건들에 적절하게 부합되는 Type3로 결정하였다.
변 논문에서는 고속전철용 와전류 제동장치의 설계와 2 사원 유한요소법을 이용하여 특성을 해석하였으며 시세 품은 제작하여 실험을 수행한 걸과에 대해 기술하였다.
본 논문에서 제안하는 와선류 제동장치에 의한 제동벽 분담은 속도범위 50[km/h]〜350[km/h]까지 약 150[kN]을 분담시킨다. 따라서 와전류 제동장치에서 분담 감속도는 150[kN]/630[ton] = 0.
설계된 와전류 제동장치는 FEM 해석 프로그램(flux-2d, emf)을 이용하여 전류의 변화와 공극의 변화에 따른 해석을 수행하여 흡인력 및 제동력 특성을 검토하였다. 그림 7은 설계된 와전류 제동장치 1기분의 기본 모델을 나타내며 그림 2에서 결정된 치수를 대상으로 해석을 수행하였다.

데이터처리

불가능하였다. 또한, 제동장치의 공극 불균형으로 평2 공극을 X[mm]로 흡인력 실험을 수행 해석값과 실험 값을 비교하였다. :그림 11은 실제 제작된 와전류 세동장치의 1기분 (10극) 시제품을 나타내며, 그림 12에 해석 및 실험 결과를 나타내고 있다.

이론/모형

전류 변화와 공극의 변화에 따른 제동력 및 흡인력 특성을 해석하기 위해 그림 2의 해석모델을 대상으로 2D-FEM 을 적용하였다. 이 때 표 1의 해석조건을 이용하였다.

성능/효과

이는- 제동장치의 공극 불균일 및 볼트새실 등의 제즈}오차로 사료된다. 세동녁 해식 결과 성격공극 7[mm]인 경우 열차의 속도가 35 이Km/h]에서 세동력이 아:kN]이상으로 요구되는 설계값을 만족하였으며, 공극 8[mm]으] 경우에 대해서도 요구되는 제동력 7.5 [kN]이 만족됨을 알 수 있었다. 따라서, 분 는?에서 제시호* 와전류 세동장치 설계의 타당성을 입증하였다,
해석하여 그림 9와 10에 나타내었다. 해석결과 정격공극 7[mm]와 8[mm]에서 고속전철에 요구되는 제동력과 흡인력이 만족함을 알 수 있다.

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