[논문]영구자석을 이용한 Shield moving형 와전류 제동기의 철도시스템 적용연구

이장무; 한경희; 최유영

doi:10.5370/kiee.2014.63.12.1737

영구자석을 이용한 Shield moving형 와전류 제동기의 철도시스템 적용연구
The Study on Shield Moving ECB with PM for Application of Railway Vehicle 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.12, 2014년, pp.1737 - 1741

이장무 (Korea Railroad Research Institute) , 한경희 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Halla University) , 최유영 (Kinemotion Co., LTD.)

Abstract ▼ AI-Helper

The railway ECB(Eddy Current Brake) is used for high speed vehicle of railway like as TGV, ICE, JR-500 because it has stable braking force at high speed. But it is not effective at low speed and it is difficult to save energy due to the excitation of electro-magnet. Although ECB with permanent magnet is used for roller-coaster, it can not control the braking force without clutch. In this paper, the shield moving ECB with PM is proposed for application of railway vehicle. The angle of shield can be changed for various braking force. It changes the flux amount from PM, then the braking force will be reduced. The brake of 800W is simulated by using the software, "Ansoft Maxwell". The characteristics of braking will be shown by the shapes of magnet, disk and various speeds.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이러한 점을 감안하여 본 논문에서는 회전자와 고정자의 이격거리(공극의 길이) 조절 대신 고정자와 회전자의 사이에 동축을 사용하며 각도 조절기능을 갖는 Shield를 설치하여 쇄교하는 자속량을 조절함으로써 토크의 크기를 결정하는 방식을 선택하였다. 또한 본 논문에서 제안하는 와전류 제동장치는 800[W]급 축소모델을 대상으로 하여 제시하는 형상의 속도별 제동력 특성의 효과를 알아보고자 한다.
본 논문에서는 와전류제동기의 특성을 개선하고자 영구자석을 이용하고 공극과 자석 사이에 Shield를 설치함으로써 여자에 필요한 에너지 소모가 없고, 제동력 조절이 가능한 새로운 구조의 디스크형 와전류 제동기를 제안하였다.
본 논문에서는 이러한 와전류제동기의 특성을 개선하고자 영구자석을 이용하고 Shield를 부착함으로써 여자에 필요한 에너지 소모가 없고, 제동력 조절이 가능한 새로운 구조의 디스크형 와전류 제동기를 제안하고 영구자석의 구성 및 형상, Shield의 형태 등에 따른 제동기의 특성을 전자장 시뮬레이션을 통해 살펴봄으로써 철도 시스템에서의 적용 가능성을 알아보고자 한다.

제안 방법

Shield moving형 와전류 제동기의 구조와 Shield에 의한 자속쇄교량 조절 원리를 제시하고 와전류 제동기의 일반적 원리를 설명하기 위해 와전류로 인한 전기자 반작용을 무시할 수 있는 저속에서 선형적 토크 특성을 나타내며, 토크특성을 일반화할 수 있는 근사식을 유도하여 그 원리를 개략적으로 설명하였다.
본 논문에서 제시한 제동기 형태는 정지용 와전류 제동기로서 영구자석에 의한 시불변 자속이 이동 중인 회전 도체판에 의해 쇄교하여 도체 내부에 와전류(Eddy Current)가 발생하고, 이렇게 발생한 와전류는 로렌츠의 법칙에 따라 자속과의 상호 작용에 의하여 제동토크를 발생시키는 원리로 동작한다.
기존 디스크형 와전류 제동기의 경우, 고정자가 영구자석으로 구성된 경우에는 발생 토크의 크기를 결정하기 위하여 회전자와 고정자의 이격거리를 조절하는 기계적 클러치를 추가 설치해야 하는 단점이 존재했다. 이러한 점을 감안하여 본 논문에서는 회전자와 고정자의 이격거리(공극의 길이) 조절 대신 고정자와 회전자의 사이에 동축을 사용하며 각도 조절기능을 갖는 Shield를 설치하여 쇄교하는 자속량을 조절함으로써 토크의 크기를 결정하는 방식을 선택하였다. 또한 본 논문에서 제안하는 와전류 제동장치는 800[W]급 축소모델을 대상으로 하여 제시하는 형상의 속도별 제동력 특성의 효과를 알아보고자 한다.

대상 데이터

그림 6에서 나타낸 모델에서 와전류가 발생하는 Disk의 재질은 구리(Cu)이며, Yoke와 Shield의 재질은 철(Fe)이다. 영구자석은 NdFe35를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 800[W]급 Shield moving형 와전류 제동기의 설계 파라미터는 표 3과 같다.

성능/효과

그림 9는 Shield 각도를 120[deg]로 하고 자석의 두께를 각각 5, 10, 15, 20[mm]로 조절하였을 때의 제동력을 나타냈다. 시뮬레이션 결과, 자석의 두께가 늘어날수록 제동력이 증가하였으며, 5[mm]에서 10[mm]로 변화할 때 제동력의 증가가 월등한 것을 알 수 있다.
조건을 Shield의 각도별, 영구자석 및 디스크의 형상별, 속도별로 구분하여 전자장 시뮬레이션을 수행한 결과 근사식에 의한 유추결과와 일치하였다. 제안된 Shield moving형 와전류 제동기가 기존의 제동력 조절이 불가능한 영구자석형 제동기의 한계를 극복하고 철도 시스템에서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
조건을 Shield의 각도별, 영구자석 및 디스크의 형상별, 속도별로 구분하여 전자장 시뮬레이션을 수행한 결과 근사식에 의한 유추결과와 일치하였다. 제안된 Shield moving형 와전류 제동기가 기존의 제동력 조절이 불가능한 영구자석형 제동기의 한계를 극복하고 철도 시스템에서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

후속연구

현재 운영되고 있는 도시철도시스템의 제동시스템은 동기기를 이용한 회생제동(0∼65[km/h]영역)과 공기제동(65∼100[km/h]영역)을 병행 운영하고 있다. 연구결과, Shield moving형 와전류 제동기는 도시철도시스템의 공기제동방식이 담당하는 속도영역에 적용이 가능하며, 향후 도시철도시스템에 적합한 제동기의 최적설계와 더불어 추진시스템과 연계된 제동시스템 연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차를 안전하게 운전하기 위해서는 가춰져야 하는 조건은?	열차를 안전하게 운전하기 위해서는 기동, 가속, 정지 등의 제어장치와 속도제한 및 정차 등을 위한 제동장치(Brake)가 구비되어야 한다. 제동이란 운동하는 물체의 에너지를 다른 에너지(전기, 마찰, 열)로 변환하여 발생한 열차의 움직임에 반발하거나 열차를 정지 상태로 유지하기 위해 어떤 힘이 생성되는 과정을 말한다.
	와전류 제동방식의 장점은 무엇인가?	최근에는 마찰하는 면적을 줄이면서도 필요한 제동력을 얻기 위하여 종래에 마찰제동방식에 의한 마찰열 변환 방식을 벗어나 회생제동과 와전류 레일방식 제동이 선진 고속전철(독일 ICE,프랑스 TGV, 일본JR-500)의 제동방식으로 채택되고 있다. 특히 와전류 제동방식의 경우 속도가 높아짐에 따라 매우 크고 안정된 제동력을 확보할 수 있는 장점을 가지고 있다.[1][2] 그러나 저속에서는 효과가 거의 없기 때문에 정차시키기 위한 브레이크는 사용하지 못하고 다른 브레이크 수단과 병용할 필요가 있다.
	와전류제동기의 특성을 개선하고자 영구자석을 이용하고 공극과 자석 사이에 Shield를 설치함으로써 현재 도시철도에 대해 어떻게 운영될 수 있는가?	현재 운영되고 있는 도시철도시스템의 제동시스템은 동기기를 이용한 회생제동(0∼65[km/h]영역)과 공기제동(65∼100[km/h]영역)을 병행 운영하고 있다. 연구결과, Shield moving형 와전류 제동기는 도시철도시스템의 공기제동방식이 담당하는 속도영역에 적용이 가능하며, 향후 도시철도시스템에 적합한 제동기의 최적설계와 더불어 추진시스템과 연계된 제동시스템 연구가 필요할 것으로 보인다.

참고문헌 (5)

Do-Hyun Kang, Yong-Joo Kim, Soo-Tae Kwak "Conceptual Design of Braking System in High-Speed Train" KIEE Summer Conference 342-345, 1997
D.H.Kang, S.TKwak, J.P.Hong, K.H.Kang, "Eddy Current Brake Design for High Speed Railway Train Simulator", KIEE Summer Conference 390-392, 1998
T.Kuwahara, K.Araki, "Development of Permanent Magnet Type Retarder", JSAE, pp.92-96, Jan. 1992
B.Lequesne, B Liu, T.W.Nehl "Eddy Current Machines with Permanent Magnets and Solid Rotors", IEEE Trans. on Industry App., Vol.l33, pp.1289-1294, Sep.-Oct. 1997

상세보기
Hyeon-Jae Shin , Jang-Young Choi, Han-WookCho, and Seok-Myeong Jang "Analytical Torque Calculations and Experimental Testing of Permanent Magnet Axial Eddy Current Brake", IEEE Trans. on Magnetics, Vol.49, No7, pp.4152-4155, July 2013

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