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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 초고속 자기부상열차 추진용 LSM을 설계하고, 설계 모델의 역기전력 및 추력 특성을 유한요소해석을 통해 확인하였으며, 3.84m 길이의 LSM 시제품 제작 후 추력 측정 시험을 수행함으로써 설계의 타당성을 검증하였다.
- 본 논문에서는 초고속 자기부상열차의 부상과 추진을 동시에 담당하는 LSM의 설계 및 추력 측정 방법에 관하여 다루었다. LSM 설계를 위해 자기부상열차의 부하를 산정하고 LSM 설계식을 제시하였으며, 150m의 단거리 시험선 운행에 적합한 LSM을 설계하였다.
가설 설정
- 그림 8에서 ①번 시간에 해당하는 전류는 A상 #, B상 # , C상 #가 되며, 이것은 ①번 시간에서는 이러한 크기의 직류 전류가 흐르고 있다고 생각할 수 있다. ①번 시간에서 흐르는 전류가 만드는 고정자 기자력 축과 부상전자석의 기자력 축은 서로 정렬하려고 할 것이다. 이때 발생하는 힘이 LSM의 추력이 된다.
제안 방법
- 를 선택하였으며, 그림 9와 같이 고정자 권선과 직류 전원을 연결하였다. B상 단자와 직류 전원의 (+)단자, C상 단자와 직류 전원의 (-)단자를 연결하고, LSM 고정자 끝부분의 B상과 C상 단자를 서로 이어주었다.
- 본 논문에서는 초고속 자기부상열차의 부상과 추진을 동시에 담당하는 LSM의 설계 및 추력 측정 방법에 관하여 다루었다. LSM 설계를 위해 자기부상열차의 부하를 산정하고 LSM 설계식을 제시하였으며, 150m의 단거리 시험선 운행에 적합한 LSM을 설계하였다. 또한, LSM 설계 모델의 유한요소해석을 통하여 역기전력 및 추력 특성을 확인함으로써 설계의 타당성을 검증하였고, LSM 시제품 제작 후 추력 측정 시험을 통하여 해석의 타당성을 검증하였다.
- 또한, LSM 설계 모델의 유한요소해석을 통하여 역기전력 및 추력 특성을 확인함으로써 설계의 타당성을 검증하였고, LSM 시제품 제작 후 추력 측정 시험을 통하여 해석의 타당성을 검증하였다. LSM 추력 측정 시험을 위해 부상전자석과 고정자 사이의 공극이 일정하게 유지하면서 움직일 수 있도록 부상전자석 하단에 LM Guide를 장착하였으며, 고정자 권선에 3상 교류 전류대신 직류 전류를 인가하는 방식을 제안하였다. 로드 셀을 이용하여 부상전자석의 위치별로 추력을 측정하였으며, 해석결과와 측정 결과 모두 요구 추력을 만족하였다.
- 여기서는 220mm로 정하였다. 계자 슬롯 점적률 Kf2와 계자 전류밀도 J2는 경험치를 바탕으로 결정하며, 여기서는 각각 0.45, 2A/mm2으로 정하고 설계를 시작하였다.
- 따라서 부상전자석의 위치를 480mm에서 460mm, 440mm, 420mm, 340mm, 320mm으로 변경하면서 각각의 추력을 측정하였다. 고정자 지그에 장착된 로드 셀과 만나는 부상전자석 끝 부분에 20mm 두께의 블록들을 하나씩 제거하면서 측정 위치를 조정하였다. 또한, 추력 측정 시험과 동일한 조건으로 유한요소해석을 실시하였다.
- 64kN을 대입하였으며, 그 결과 상전류 450A(RMS)를 구했다. 고정자의 치 폭과 슬롯 폭은 각각 40mm로 설계하였고, 슬롯 높이는 계산상으로는 42mm가 적당하지만, 슬롯 쐐기(Wedge) 공간을 고려하여 50mm로 설계하였으며, 요크 폭도 계산상으로 60mm가 적당하지만, 고정자의 가이드웨이 취부를 위한 Fix hanger 장착을 위한 공간을 고려하여 80mm로 설계하였다. 고정자권선으로 사용할 케이블은 40mm 폭의 슬롯에 장착할 수 있도록 외경이 20mm 이하여야 한다.
- 자기부상열차가 500km/h 이상의 속도에 도달하기 위해서는 가속거리와 감속거리를 고려했을 경우 약 40km 이상의 선로가 필요하다. 그러나 40km의 선로를 LSM으로 제작하려면 천문학적인 비용이 소요되므로, 본 연구에서는 150m의 단거리 노선으로 대체하고, 차량의 최대속도를 28.8km/h로 제한하여 LSM 설계를 진행하였다.
- 그림 10과 같이 부상전자석을 고정자 끝에서부터 480mm지점에 위치시키고, 계자 전류를 17A로 유지한 상태로, 직류 전원의 전류를 122.5A부터 551.1A까지 바꿔가면서 로드셀을 통해 추력을 측정하였다. 여기서 122.
- 이때 발생하는 힘이 LSM의 추력이 된다. 따라서 고정자 권선에 3상 교류 전류 대신 직류 전류를 인가하여 LSM의 추력을 측정하였다.
- 첫 번째 방법은 두 번째 방법에 비해 더 높은 전류가 필요하고 3상 권선 모두를 연결해야하는 불편함이 있다. 따라서 두 번째 방법을 추력 측정 시험에 적용하였다.
- LSM 고정자 권선에 직류 전류를 인가하여 기자력 축을 고정시킨 상태에서는 부상전자석의 위치에 따라 추력 크기가 달라진다. 따라서 부상전자석의 위치를 480mm에서 460mm, 440mm, 420mm, 340mm, 320mm으로 변경하면서 각각의 추력을 측정하였다. 고정자 지그에 장착된 로드 셀과 만나는 부상전자석 끝 부분에 20mm 두께의 블록들을 하나씩 제거하면서 측정 위치를 조정하였다.
- 고정자 지그에 장착된 로드 셀과 만나는 부상전자석 끝 부분에 20mm 두께의 블록들을 하나씩 제거하면서 측정 위치를 조정하였다. 또한, 추력 측정 시험과 동일한 조건으로 유한요소해석을 실시하였다.
- LSM 추력 측정 시험을 위해 부상전자석과 고정자 사이의 공극이 일정하게 유지하면서 움직일 수 있도록 부상전자석 하단에 LM Guide를 장착하였으며, 고정자 권선에 3상 교류 전류대신 직류 전류를 인가하는 방식을 제안하였다. 로드 셀을 이용하여 부상전자석의 위치별로 추력을 측정하였으며, 해석결과와 측정 결과 모두 요구 추력을 만족하였다. 본 연구에서는 추력 측정만 진행하였으나, 차 후 부상력 측정 시험을 통해 LSM의 부상 성능 검증을 진행할 예정이다.
- 그러나 단거리 시험선에서는 저속운행만 하므로 고정자 권선 턴 수를 늘리고 전류를 낮춰서 설계하는 것이 전력변환 시스템측면에서 유리하다. 본 연구에서는 자기부상열차의 최대속도 28.8km/h에서 LSM 한 열의 역기전력이 100V(RMS)가 되도록 고정자 권선을 설계하였으며, 설계 순서는 그림 2와 같다.
- 설계된 LSM의 무부하 역기전력의 크기를 확인하기 위해, 해석모델에서 계자 권선에만 17A의 직류 전류를 인가하고, 부상전자석의 이동속도를 28.8km/h로 설정하여 유한요소해석을 수행하였으며, 그림 4와 같은 역기전력 파형을 얻었다.
- 설계된 LSM의 추력 특성을 확인하기 위해, 해석모델에서 고정자 권선에 16.67Hz, 450A(RMS)의 3상 전류를, 계자 권선에 17A의 직류 전류를 인가하고, 부상전자석의 이동속도를 28.8km/h(동기속도)로 설정하여 유한요소해석을 수행하였으며, 그림 5와 같은 추력 파형을 얻었다. 그림 5에서 유한요소해석 결과 평균추력은 약 5.
- 자기부상열차 운행을 위한 150m의 단거리 시험선을 건설하기 전에 LSM 설계 모델의 설계 및 해석의 타당성을 입증하기 위해서 그림 6, 7과 같이 부상전자석 1모듈과 3.84m의 고정자를 제작하고, 추력 측정을 실시하였다.
- 지그(Jig) 상단에 LSM 고정자를 장착하고, 지그 하단에는 LM Guide를 장착하여 부상전자석이 10mm 공극을 유지하면서 가로 방향으로만 움직일 수 있도록 하였다. 지그 우측에 로드 셀(Load Cell)을 장착하여 전류 인가 시 부상전자석이 이 로드 셀을 누르는 압력을 측정하도록 하였으며, 측정값은 인디케이터를 통해 나타나도록 하였다.
- 추력 측정을 위해 그림 7과 같이 시험 장치를 구성하였다. 지그(Jig) 상단에 LSM 고정자를 장착하고, 지그 하단에는 LM Guide를 장착하여 부상전자석이 10mm 공극을 유지하면서 가로 방향으로만 움직일 수 있도록 하였다. 지그 우측에 로드 셀(Load Cell)을 장착하여 전류 인가 시 부상전자석이 이 로드 셀을 누르는 압력을 측정하도록 하였으며, 측정값은 인디케이터를 통해 나타나도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 자기부상열차는 총 6개의 부상전자석 모듈을 가지며, LSM 한 열당 부상전자석 모듈 3개씩 배치된다. 따라서 식 (11)에서 E0는 부상전자석 모듈 3개에 의해 발생되는 무부하 역기전력이다.
- 자기부상열차의 사양은 표 1에 나타냈다. 이 차량은 6개의 부상전자석 모듈로 구성되며, 요구되는 최대 가속도는 1.1m/s2이다. 이 차량이 최대 가속도를 달성하기 위해 필요한 LSM의 추력을 산정하기 위해서는 자기부상열차의 주행 저항을 계산해야 한다.
- 따라서 부상전자석 모듈이 총 6개가 들어가므로 1모듈당 11극(회전기와 다르게 선형기는 홀수 극이 가능)을 갖는다면 무난히 차량을 부상시킬 것이다. 한편, 부상전자석의 슬롯 폭은 140mm, 슬롯 높이는 103mm, 요크 폭은 50mm로 설계하였다.
이론/모형
- LIM은 일반적으로 중저속용 자기부상열차에 사용되고, 초고속용으로는 LSM이 주로 사용된다. 따라서 본 논문에서 다루고자 하는 초고속 자기부상열차의 추진 방식은 LSM을 채택하였으며, 부상 방식은 전자석의 흡인력을 이용한 EMS(Electromagnetic Suspension) 방식을 적용하였다. EMS 방식은 저속에서 자체적으로 부상이 가능하고 별도의 냉각장치를 필요로 하지 않으므로 초전도를 이용하는 EDS(Electrodynamic Suspension) 방식에 비해 경제적이다.
성능/효과
- 21kN을 만족하는 것을 알 수 있다. 그래프에서 100A(RMS)와 200A(RMS) 인가 시 해석 결과와 측정 결과의 오차가 크게 발생하였으며, 고정자 전류의 크기가 증가할수록 오차가 줄어드는 경향을 보인다. 최대추력이 발생하는 지점인 전류 450A(RMS), 부상전자석 위치 440mm에서 해석 결과와 측정 결과를 비교하면, 각각 5.
- LSM 설계를 위해 자기부상열차의 부하를 산정하고 LSM 설계식을 제시하였으며, 150m의 단거리 시험선 운행에 적합한 LSM을 설계하였다. 또한, LSM 설계 모델의 유한요소해석을 통하여 역기전력 및 추력 특성을 확인함으로써 설계의 타당성을 검증하였고, LSM 시제품 제작 후 추력 측정 시험을 통하여 해석의 타당성을 검증하였다. LSM 추력 측정 시험을 위해 부상전자석과 고정자 사이의 공극이 일정하게 유지하면서 움직일 수 있도록 부상전자석 하단에 LM Guide를 장착하였으며, 고정자 권선에 3상 교류 전류대신 직류 전류를 인가하는 방식을 제안하였다.
- 이러한 오차는 부상전자석에 장착된 LM Guide의 마찰에 의한 손실이 주된 원인으로 볼 수 있으며, 이러한 손실을 포함하더라도 제작 모델은 요구 추력을 만족하였다. 이를 통해 LSM 설계 모델에 대한 설계 및 해석의 타당성을 검증할 수 있었다.
- 그래프에서 100A(RMS)와 200A(RMS) 인가 시 해석 결과와 측정 결과의 오차가 크게 발생하였으며, 고정자 전류의 크기가 증가할수록 오차가 줄어드는 경향을 보인다. 최대추력이 발생하는 지점인 전류 450A(RMS), 부상전자석 위치 440mm에서 해석 결과와 측정 결과를 비교하면, 각각 5.90kN, 5.58kN으로 약 5.8% 오차가 발생하였다. 이러한 오차는 부상전자석에 장착된 LM Guide의 마찰에 의한 손실이 주된 원인으로 볼 수 있으며, 이러한 손실을 포함하더라도 제작 모델은 요구 추력을 만족하였다.
후속연구
- 로드 셀을 이용하여 부상전자석의 위치별로 추력을 측정하였으며, 해석결과와 측정 결과 모두 요구 추력을 만족하였다. 본 연구에서는 추력 측정만 진행하였으나, 차 후 부상력 측정 시험을 통해 LSM의 부상 성능 검증을 진행할 예정이다.
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