[논문]전자기장 해석을 이용한 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드의 설계

이효렬; 안중환; 신진오; 김화영

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.2.089

전자기장 해석을 이용한 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드의 설계
Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.2, 2016년, pp.89 - 96

이효렬 (부산대학교 기계공학부) , 안중환 (부산대학교 기계공학부) , 신진오 (영도산업(주)) , 김화영 (부산대학교 기계기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Growing concerns regarding environmental pollution have increased the demand for green vehicles. Green vehicles include electric vehicles, compressed natural gas vehicles, fuel cell vehicles, and vehicles running on fuels such as bio diesel or an ethanol blend. CNG vehicles are equipped with a cylinder valve installed in a high-pressure vessel to control the CNG flow. For this purpose, the optimum design of cylinder valve solenoid is necessary to secure at driving a CNG vehicle. In this study, electromagnetic field analysis to ensure the reliable operation of the solenoid was conducted by using a Maxwell V15. The electromagnetic field analysis was performed by magnetostatic technique according to distance between magnetic poles in order to predict the attraction force. Finally, the attraction force was validated through comparison between the Maxwell results and the measurement results. From the results, the error of attraction force was found to be 2.85 N to 6.5 N under the testing conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 전자기장 해석을 이용하여 용기용 밸브에서 유로를 개폐하는 역할을 하는 솔레노이드를 설계하고 실험을 통해 이를 검증하였다.
본 연구에서는 솔레노이드 설계식과 전자기장 해석을 이용하여 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드를 설계하였다. 설계 목표는 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 요구 흡인력을 만족하면서 소모 전력이 최소가 되는 에나멜 선의 직경을 선정하는 것이다. 전자기장 해석과 솔레노이드 흡인력 시험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

2. 에나멜 선의 직경이 증가함에 따라 소모 전력 역시 증가하며 소모 전력이 최소가 되는 0.43 mm 에나멜 선을 이용하여 솔레노이드 시제품을 제작하였다. 솔레노이드 흡인력 측정 장치를 이용하여 공극부 거리에 따른 솔레노이드의 흡인력을 측정하였으며 이를 전자기장 해석 결과와 비교하였을 때 오차의 최소값이 2.
공극부의 사이의 거리 조절이 완료되면 전원 공급기를 이용하여 솔레노이드에 12 V의 전압을 인가하고 로드셀로 측정된 흡인력을 값을 데이터 수집 장치를 이용하여 수집하고 분석하였다.
다음으로 요크와 플런저의 자화로 인해 발생하는 흡인력을 측정하기 위해 고정된 솔레노이드의 동일 중심축 선상에 로드셀을 고정시키고, 플런저 A를 로드셀에 체결하여 흡인력이 로드셀에 전달되도록 하였다. 그리고 플런저 B와 코어가 완전 접촉하는 지점으로부터 0.1 mm 간격으로 리니어 스테이지를 이동시키고 실제 이동 변위를 레이저 변위센서를 이용하여 확인하였다.
다음으로 요크와 플런저의 자화로 인해 발생하는 흡인력을 측정하기 위해 고정된 솔레노이드의 동일 중심축 선상에 로드셀을 고정시키고, 플런저 A를 로드셀에 체결하여 흡인력이 로드셀에 전달되도록 하였다. 그리고 플런저 B와 코어가 완전 접촉하는 지점으로부터 0.
본 연구에서는 솔레노이드 설계식과 전자기장 해석을 이용하여 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드를 설계하였다. 설계 목표는 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 요구 흡인력을 만족하면서 소모 전력이 최소가 되는 에나멜 선의 직경을 선정하는 것이다.
성능평가 시험에 사용한 솔레노이드의 경우 전자기장 해석 결과와 비교하기 위해 20 ℃ 조건에서 플런저 복귀를 위한 스프링 없이 자기력에 의한 흡인력만을 측정하였으며, 측정 간격 간 충분한 시간을 두어 코일의 온도가 일정하도록 유지하였다.
솔레노이드 설계식을 이용하여 솔레노이드의 요구 흡인력을 만족하는 에나멜선의 직경 선정의 타당성을 검증하기 위해 전자기장 상용 소프트웨어인 Maxwell V15를 이용하여 -40 ℃, 20 ℃와 85 ℃ 조건에서 공극부 사이의 거리에 따른 흡인력 변화를 해석하였다. Fig.
솔레노이드 흡인력에 영향을 미치는 설계 조건 중 코일 보빈의 내경, 외경, 높이 및 공극부의 면적과 거리, 인가전압을 고정값으로 두고, 보빈에 권선되는 에나멜선의 직경을 설계 변수로 선정하였으며 이를 Table 2에 정리하여 나타내었다.
흡인력 측정 장치는 솔레노이드, 로드셀, 레이저 변위센서, 리니어 스테이지, 전원공급기, 데이터 수집 장치로 구성된다. 시험 방법은 공극부의 간격을 조절하기 위해 상하방향으로 이송이 가능한 리니어 스테이지에 솔레노이드를 고정시킨다.

대상 데이터

또한 플런저의 자중과 스프링의 탄성력을 고려하지 않았으며, 해석에 사용된 솔레노이드 구성품의 재질 정보를 Table 4에 나타내었다. 마지막으로 전자기장 해석에 사용된 격자는 사면체 격자를 이용하였으며 생성된 격자수는 63,906개이다.
43 mm 직경의 에나멜선을 이용하여 제작한 솔레노이드의 시제품과 흡인력 측정 장치 구성을 나타낸 것이다. 흡인력 측정 장치는 솔레노이드, 로드셀, 레이저 변위센서, 리니어 스테이지, 전원공급기, 데이터 수집 장치로 구성된다. 시험 방법은 공극부의 간격을 조절하기 위해 상하방향으로 이송이 가능한 리니어 스테이지에 솔레노이드를 고정시킨다.

성능/효과

1. 솔레노이드 설계식과 전자기장 해석을 통해 용 밸브의 사용 온도 범위인 -40~85 ℃에서 에나멜선의 직경이 0.43 mm 이상일 때 유로 개방을 필요한 흡인력을 만족함을 알 수 있었다.
3. ECE R110의 규격에 의한 -40, 20, 85 ℃에서의 용기용 밸브 내․외부 누설 시험을 통해 솔레노이드의 동작을 확인하여 설계의 타당성을 확인하였다.
3에서 솔레노이드에 전압이 인가되지 않은 초기 밀폐 상태에서 플런저 B에 가해지는 기밀력(Z방향)의 합과 같다. 기밀력은 A 영역과 같이 플런저 A, B가 접촉한 면적과 최대 사용 압력인 250 bar를 이용하여 8.76 N의 결과를 얻었으며, 수평 방향(X방향)의 힘은 중심축 대칭인 플런저 A, B의 형상으로 인해 상쇄된다. 스프링의 자유 길이에서 셋팅 길이로 압축되면서 발생하는 스프링의 예하중은 식(2)를 이용하여 3.
43 mm 에나멜 선을 이용하여 솔레노이드 시제품을 제작하였다. 솔레노이드 흡인력 측정 장치를 이용하여 공극부 거리에 따른 솔레노이드의 흡인력을 측정하였으며 이를 전자기장 해석 결과와 비교하였을 때 오차의 최소값이 2.85 N, 최대값이 6.5 N이 발생함을 확인하였다.
7과 Table 6은 시험 온도에 따른 용기용 밸브의 누설 시험을 위한 고․저온 압력 시험기, 압력시험기에 용기용 밸브가 장착된 모습, 시험 결과를 나타낸 것이다. 시험 결과 -40, 20, 85 ℃에서 솔레노이드가 동작하여 용기용 밸브 내부 유로 전체에 압력이 가해짐을 확인 하였으며, 내부 및 외부 누설을 측정결과 누설이 발생하지 않아 솔레노이드의 설계가 타당함을 확인하였다.
측정 결과 값을 전자기장 해석으로 구한 흡인력과 비교하였을 때 오차는 최소 2.85 N, 6.5 N으로 측정되었다. 오차 발생의 원인은 전자기장 해석에서 사용된 2D 모델이 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔레노이드 밸브의 구조는 무엇인가?	1에 나타내었다. 솔레노이드 밸브의 구조는 크게 자기장 형성을 위한 코일, 자기 회로를 구성하는 디스크와 케이스, on/off 동작에 의해 유로를 개폐하는 플런저 A․B, 코일에서 발생한 자기장에 의해 자화되어 플런저를 흡인하는 요크, 플런저를 복원시키는 스프링 등으로 구성된다.
	용기용 솔레노이드 밸브의 단일 플렌저 방식 적용 한계를 극복하기 위해 어떤 구조를 제안하였나?	저압에서 사용되는 솔레노이드의 경우 단일 플런저의 동작으로 유로를 개폐가 가능하지만 200 bar 정도의 고압으로 연료를 저장하는 용기용 솔레노이드 밸브의 경우에는 단일 플런저 방식을 적용하기에는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 2단 플런저 방식을 적용한 솔레노이드의 구조를 Fig. 1에 나타내었다.
	압축 천연 가스 차량의 장점은 무엇인가?	전 세계적으로 환경문제는 매우 큰 이슈로 자리매김하고 있으며, 특히 각 국가별로 이산화탄소 발생 감소의 필요성이 대두되고 있다. 운송수단 중의 하나인 차량의 이산화탄소 발생량을 감소시키기 위해 환경 친화성과 연료 공급용이성 면에서 장점이 있는 압축 천연 가스 차량(Compressed Natural Gas Vehicle, CNG)이 실용화되었으며, 천연가스는 석유, 석탄에 비하여 연소 시 발생하는 이산화탄소 및 아황산가스 등과 같은 공해물질의 발생량이 적어 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 천연 가스는-162 ℃ 이하의 온도에서 액화되기 때문에 대부분 가스 상태로 200 bar 정도의 고압으로 압축 저장하여 운행하고 있다.

참고문헌 (5)

Yeo, K. M., Park, K. T., Park, T. J., Chung, H. T. and Kang, B. R., "Icing Analysis of Fuel Supply Line Components for CNG Vehicle," Proceedings of the KSME 2006 Spring Annual Meeting, pp. 197-202, 2006.
United Nations Economic Commission for Europe, Regulation No. 110 Rev. 2, CNG Equipment - Part 1: Approval of specific components of motor vehicles using compressed natural gas (CNG) in their propulsion system, Part 2: Vehicles with regard to the installation of specific components of an approved type for the use of compressed natural gas (CNG) in their propulsion system, pp. 1-149, 2009.
Sung, B. J., Lee, E. W. and Kim, H. E., "Empirical Design of an On and Off Type Solenoid Actuator For Valve Operation," KIEE International Transactions on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems, Vol. 4, pp. 39-46, 2004.
Fitzgerald, A. E., Kingsley, C. Jr. and Umans, S. D., Electric Machinery 6th ed, McGraw-Hill, pp. 258-265, 2003.
Jang, J. H., Kim, J. H. and Lee, S. J., "Parameter Study on the Design of Solenoid to Enhance the Velocity of Coilgun," Journal of the Korean Magnetics Society, Vol. 25, No. 3, pp. 87-91, 2015.

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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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