[논문]컨테이너 검색기 이송대차 추진용 선형 유도전동기의 2차측 리액션플레이트 재질에 따른 특성 연구

정재훈; 최장영; 성소영; 박종원; 임재원

doi:10.5370/kiee.2016.65.1.65

컨테이너 검색기 이송대차 추진용 선형 유도전동기의 2차측 리액션플레이트 재질에 따른 특성 연구
A Study on the Thrust Characteristic Analysis of Linear Induction Motor according to Secondary Reaction Plate Using the Container Scanner Vehicle 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.1, 2016년, pp.65 - 72

정재훈 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 최장영 (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University) , 성소영 (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) , 박종원 (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering) , 임재원 (Korea Institute of Machinery & Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the analysis of the analysis of thrust characteristics of linear induction motors(LIMs) according to secondary reaction plate. LIMs are well known as high speed transport systems, which can obtain thrust directly without gears and links, or auxiliary mechanisms. A simple structure, easy maintenance, and less environmental pollution are advantages of LIMs. In transport systems using LIMs, the secondary reaction plate is an important design factor, because it has considerable impact on the cost of the railway as well as the performance of the LIMs. This paper deals analyzed the characteristics of linear induction motor used for moving the vehicle of container scanner. Thrust, efficiency and load characteristic were interpreted with FEM regarding two models whose material of secondary reaction plate was copper and aluminum. It suggested the interpretation of thrust, efficiency and power factor characteristic along slip and compared the operation ability of linear induction motor through characteristics analysis along the load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 복잡한 형상, 매질의 비선형 특성, 형상의 변화 등 세밀한 설계변수에 따른 자게 특성해석을 위해서는 설정 및 계산이 용이한 수치해석법인 유한요소법을 적용하는 것이 좀 더 바람직하다. 따라서 본 논문에서는 전압원을 입력으로 하는 유한요소 해석을 활용하여 제시 모델을 비교 분석하였다.
따라서, 본 논문에서는 선형 유도전동기의 2차측 리액션 플레이트로 알루미늄과 구리를 각각 고려하고, 전자기적 특성을 유한요소로 해석하여 결과를 비교 제시하였다. 동일 설계 조건에서 정특성을 비교하고, 정격 출력을 기준으로 하여 각각의 알루미늄과 구리 적용 모델의 슬립에 따른 특성과 부하에 따른 특성을 정밀하게 해석하여 결과를 비교 제시 하였다.
본 논문에서는 선형 유도전동기의 2차측 리액션 플레이트의 재질에 따른 특성을 분석하였다. 컨테이너 검색기의 이송대차 추진에는 정속 운전 특성이 좋고 정밀 제어가 가능한 선형 유도전동기가 적합하다.
전자장 해석법은 기하학적 형상 등의 물리적인 조건을 고려하기가 용이한 장점이 있고, 등가회로 해석법은 벡터제어 등의 제어시스템 구성 및 과도상태의 해석에 기본이 되는 방법이다. 본 논문에서는 전자의 방식을 통해 선형 유도전동기의 특성을 해석 하였다[11, 12].

제안 방법

입력 전원은 DC 750[V]이고 SVPWM 변조 방식과 인버터 효율을 고려하여 산정한 입력 전압은 상전압 390[Vmax] 이다. 2차측 리액션 플레이트는 5[mm]의 두께를 갖고 있는 도전체로 본 논문에서는 구리와 알루미늄을 적용하여 설계 조건 및 동일 추력 조건으로 기준으로 특성을 해석하여 비교 분석하였다[9, 10].
동일 설계 조건에서는 구리를 적용한 선형 유도전동기와 알루미늄을 적용한 선형 유도전동기는 추력에서 차이가 크게 났기 때문에 정량적인 비교를 위하여 추력을 기준으로 알루미늄 모델의 권선을 재설정 하여 해석을 실시하였다. 2차측 알루미늄 모델의 1차측 권선 설계를 기존 32턴에서 21턴으로 변경하여 추력을 구리 모델과 동일하게 맞추고 전류 및 효율을 비교하였다. 구체적인 해석 결과는 표 2에 제시하여 비교하였다.
따라서, 본 논문에서는 선형 유도전동기의 2차측 리액션 플레이트로 알루미늄과 구리를 각각 고려하고, 전자기적 특성을 유한요소로 해석하여 결과를 비교 제시하였다. 동일 설계 조건에서 정특성을 비교하고, 정격 출력을 기준으로 하여 각각의 알루미늄과 구리 적용 모델의 슬립에 따른 특성과 부하에 따른 특성을 정밀하게 해석하여 결과를 비교 제시 하였다.
그 결과로 2차측에 유도되는 와전류의 크기가 감소되고 로렌츠의 힘에 따라 추력이 감소한 것이다. 동일 설계 조건에서는 구리를 적용한 선형 유도전동기와 알루미늄을 적용한 선형 유도전동기는 추력에서 차이가 크게 났기 때문에 정량적인 비교를 위하여 추력을 기준으로 알루미늄 모델의 권선을 재설정 하여 해석을 실시하였다. 2차측 알루미늄 모델의 1차측 권선 설계를 기존 32턴에서 21턴으로 변경하여 추력을 구리 모델과 동일하게 맞추고 전류 및 효율을 비교하였다.
하지만 선형 유도전동기는 효율이 낮고 역률이 나쁜 단점이 있기 때문에 단점을 보완 하기 위하여 2차측 리액션 플레이트의 재질 선택이 중요하다. 본 논문에서는 2차측 리액션 플레이트의 재질을 구리와 알루미늄을 적용하여 비교 분석 하였다. 비교 해석 결과 동일 설계 조건에서는 구리 플레이트 적용모델의 정격 추력이 2배 정도 높았다.

대상 데이터

본 논문의 선형 유도전동기는 항만에 설치되는 초고속 첨단 컨테이너 검색기의 이송대차 추진용이다. 컨테이너 검색기는 방사선을 이용하여 컨테이너를 개봉하지 않고 짧은 시간에 내부를 들여다 볼 수 있는 장치로서 항만에 설치되고, 이송 대차는 컨테이너 검색기에서 컨테이너 차량을 일정한 속도로 정밀하게 이동시키는 장치이다.

성능/효과

따라서 역률의 정확한 해석과 역률을 높일 수 있는 운전 포인트를 선정하는 것이 유도전동기의 설계 측면에서는 무척 중요하다. 슬립에 따른 추력, 효율, 역률을 고려하여 운전 점을 선정해 보면 (a)그래프의 구리 모델의 경우 앞서 선정한 슬립 0.25지점이 가장 좋은 운전 지점임을 확인할 수 있다. 추력과 역률이 최고점은 아니지만 추력의 경우는 요구 추력을 만족하는 부분에서 최대의 효율이고 역률 또한 최대치와 차이가 크지 않기 때문이다.
(a)모델의 경우 정격 운전 지점인 6∼7[kN] 사이의 해석 결과를 보면 효율도 50[%] 부근에서 매우 안정적이고 역률도 0.6으로 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
(c)는 Model 1과 Model 2의 알루미늄 모델의 정량적 비교를 위해 추력을 기준으로 1차측 설계변수를 조정하여 해석한 결과이다. 그림 5(a)의 해석결과를 보면 추력은 6.3[kN]으로 요구 추력에 만족하는 값이 나왔고, 이때 전류 밀도는 구리 권선의 절연내력에 안정적인 값인 5[A/mm²]의 이하인2.8[A/mm²] 이 도출 되었으므로 설계의 타당성은 인정된다. (b)의 해석결과를 보면 추력이 약 50[%] 감소한 것을 알 수 있다.
전류는 55[A] 미만이기 때문에 전류밀도 또한 안정할 것으로 사료된다. (b)모델은 2차측에 도전률이 구리의 65[%]인 알루미늄을 적용한 결과로 턴수를 낮춰 요구추력은 확보 했지만 효율이 40[%] 미만으로 무척 낮은 것을 확인할 수 있다. 전류 또한 105[Arms]로 구리 적용 모델에 비하여 2배나 높아 동손 측면에서도 매우 불리하다.
동일 추력 설계 조건에서는 효율이 10[%] 정도 차이로 구리 플레이트 적용 모델이 높았다. 결과적으로 구리는 알루미늄에 비하여 도전률이 높아 전자기적 특성은 좋았다. 하지만 구리는 알루미늄에 비하여 기준 무게당 비용이 높고 강도가 약하다.
최대 70[ton]의 무게를 이송할 대차로서 전체 기계적인 용량은 식 (1)-(4)를 기반으로 그림 3의 블록도를 통해 계산되었고 결과는 그림 4와 같다. 계산 결과 전체추력은 23.25[kN], 가속도는 0.33[m/s²], 25%의 안전율을 고려하여 산정한 총 용량은 240[kW]이다. 입력 전원은 DC 750[V]이고 SVPWM 변조 방식과 인버터 효율을 고려하여 산정한 입력 전압은 상전압 390[Vmax] 이다.
(c) 그래프는 알루미늄 리액션 플레이트를 적용하고 추력을 높이기 위해 턴수를 32[turn]에서 21[turn]으로 바꾼 모델의 해석 결과 이다. 그래프를 비교해 보면 추력특성은 정격 추력 해석 결과를 통해 충분히 유추 가능한 해석 결과가 도출 되었다. 하지만 수직력의 경우는 (a)와 (b)의 차이가 크지 않지만 (c)의 경우 2배 가까이 크기가 큰 것을 확인 할 수 있는데 이는 입력 전류의 크기차이에서 비롯된 것으로 사료된다.
비교 해석 결과 동일 설계 조건에서는 구리 플레이트 적용모델의 정격 추력이 2배 정도 높았다. 동일 추력 설계 조건에서는 효율이 10[%] 정도 차이로 구리 플레이트 적용 모델이 높았다. 결과적으로 구리는 알루미늄에 비하여 도전률이 높아 전자기적 특성은 좋았다.
구체적인 해석 결과는 표 2에 제시하여 비교하였다. 동일 추력으로 구리모델과 알루미늄 모델을 비교한 결과 알루미늄 모델이 동일한 추력을 내기 위해선 전류가 2배 이상 필요하고 효율은 35%로 더 낮아지는 것을 확인하였다. 그림 6은 Model 1과 Model 3의 유한요소 해석을 활용한 필드 해석 결과이다.
하지만 구리는 알루미늄에 비하여 기준 무게당 비용이 높고 강도가 약하다. 따라서 해석 결과를 바탕으로 전체 운전 구간에 구리를 활용하는 것은 비효율 적이며 최대 무게 이용 구간만 구리 레일을 설치하고 나머지 이송 대차 회차 구간에서는 알루미늄 레일을 사용하는 것이 바람직하겠다.
본 논문에서 해석 모델로 제시한 선형 유도전동기는 정격 추력이 6.25[kN]이다. 따라서 부하추력에 대한 해석은 0∼7[kN]까지 진행 하였고 해석 결과는 그림 9의 그래프를 통해 제시 하였다.
본 논문에서는 2차측 리액션 플레이트의 재질을 구리와 알루미늄을 적용하여 비교 분석 하였다. 비교 해석 결과 동일 설계 조건에서는 구리 플레이트 적용모델의 정격 추력이 2배 정도 높았다. 동일 추력 설계 조건에서는 효율이 10[%] 정도 차이로 구리 플레이트 적용 모델이 높았다.
9[Hz]이다. 추력 해석 결과만 보면 가장 높은 추력을 보이는 지점을 정격 운전지점 으로 선택하는 것이 바람직해 보인다. 하지만 효율과 역률 까지 고려하여 운전 점을 선정 하는 것이 보다 더 정확하다.

후속연구

선형 유도전동기의 구동원리는 일반 회전형 유도전동기와 같으나 구조적으로 공극이 비교적 크며 단부효과가 있기 때문에 추력 분포의 왜형은 물론 역률의 저하 등이 필연적으로 수반된다. 그러나 기계적인 변환장치 없이 직접 직선구동이 가능하고 자기부상 시에는 비접촉 및 저소음 운전이 가능할 뿐만 아니라 직선운동을 하는 시스템에서는 크랭크, 기어 등의 기계적인 변환장치를 필요로 하지 않기 때문에 시스템의 전체적인 효율이 좋아지므로 로프리스 엘리베이션 등의 구동장치로써 더욱 활발히 응용될 전망이다. 특히 선형 유도전동기를 자동 반송장치에 응용하는 경우 롤러, 벨트등을 이용한 시스템에서 문제시 되는 슬립에 의한 가, 감속의 제한이 없으며 기계적인 가동부 및 접촉부가 존재하지 않아 무소음 반송이 가능하다[1-4].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형 유도전동기의 구조는?	선형 유도전동기는 회전형 유도전동기를 중심축을 포함한 평면을 잘라 직선상으로 전개한 구조 형태로 되어 있다. 구동 원리 또한 회전형 유도 전동기와 동일하다.
	직선운동 시스템을 구동하는 동력장치의 단점은 무엇인가?	그러나 이들 시스템을 구동하는 동력장치는 대부분 회전형 전동기를 이용하고 있고, 회전 운동을 직선운동으로 변환하는 부수적인 동력변환장치가 필요하므로 시스템 구성이 복잡하게 된다. 또한 기계적인 변환장치에 의한 손실, 소음, 진동 등이 발생하여 효율이 낮아지게 된다.
	선형 유도전동기의 장점은?	선형 유도전동기의 구동원리는 일반 회전형 유도전동기와 같으나 구조적으로 공극이 비교적 크며 단부효과가 있기 때문에 추력 분포의 왜형은 물론 역률의 저하 등이 필연적으로 수반된다. 그러나 기계적인 변환장치 없이 직접 직선구동이 가능하고 자기부상 시에는 비접촉 및 저소음 운전이 가능할 뿐만 아니라 직선운동을 하는 시스템에서는 크랭크, 기어 등의 기계적인 변환장치를 필요로 하지 않기 때문에 시스템의 전체적인 효율이 좋아지므로 로프리스 엘리베이션 등의 구동장치로써 더욱 활발히 응용될 전망이다. 특히 선형 유도전동기를 자동 반송장치에 응용하는 경우 롤러, 벨트등을 이용한 시스템에서 문제시 되는 슬립에 의한가, 감속의 제한이 없으며 기계적인 가동부 및 접촉부가 존재하지 않아 무소음 반송이 가능하다[1-4]. 또한 반송체가 선형 유도전동기 위에 있을때만 통전되므로 종래의 컨베이어 시스템에 비하여 전력 소비량을 크게 절감 시킬 수 있으며, 보수가 용이한등의 여러 가지 장점으로 인하여 크게 주목 받고 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
M. Kitamura, N. Hino, H. Nihei and M. Ito, "A direct search shape optimization based on complex expressions of 2-dimentional magnetic fields and forces", IEEE Trans. on Magn., vol. 34, no. 5, Sept. 1998.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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