[논문]철도차량용 전자접촉기 전자코일의 전자기력 특성 연구

정주영; 박지원; 최진일

doi:10.7782/jksr.2016.19.3.324

철도차량용 전자접촉기 전자코일의 전자기력 특성 연구
Investigation of Electromagnetic Force for Magnetic Contactor of Railway Vehicles 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.19 no.3 = no.94, 2016년, pp.324 - 330

정주영 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University) , 박지원 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University) , 최진일 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University)

초록
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전자접촉기는 전기 회로에 사용하는 개폐기 중 하나로 산업계 전반에 걸쳐서 폭 넓게 사용되고 있다. 이 전자접촉기의 구동부인 전자코일은 전기 회로를 개폐하는 역할을 맡고 있고 전자접촉기의 동작 성능에 중요한 역할을 한다. 이 논문은 유한요소법을 이용하여 실험데이터를 반영한 해석 모델을 구현하였으며 인가전압과 권선수의 변화에 대한 전자기력의 특성 확인을 통해 해석 모델을 검증하였다. 두 전자코일의 구동 코어와 고정 코어의 접촉부 변화에 따른 전자기력의 특성을 연구하였다. Push형 솔레노이드 구조의 전자코일에서 두 코어 접촉부의 기울기에 따른 구조의 전자기력 특성을 접촉부의 자속밀도 분포를 통해 해석하였다. 또한 접촉부 사이 air gap의 변화에 의한 구조가 자속밀도 분포에 미치는 영향을 파악하였다. 이를 통하여 전자코일의 코어 접촉면에 따른 전자기력의 특성을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A magnetic contactor is a switching device widely used for electric circuits. For the operation of magnetic contactors, magnetic coils are essential; these coils create and interrupt the electric circuit. In this paper, the finite element analysis model was developed to reflect the experimental data, and was verified through alteration of the applied voltages and the numbers of turns. Effects of electromagnetic force on the geometrical variations of the facing poles for fixed and moving cores of two magnet coils were investigated. In addition, effects of slope and air gap size between two facing poles on the electromagnetic force were explored through the distribution of the magnetic flux density in the magnetic coils of a push-type solenoid. Through this analysis, the characteristics of the electromagnetic force against the facing poles were explored.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문은 FEM 해석 프로그램을 이용하여 실제 전자코일 모델의 실험 결과와 해석 결과의 비교, 인가전압과 권선수의 변화에 따른 전자코일의 전자기력 특성 파악을 통해 유한요소법 기반 모델의 정확성을 검증하였다. 또한 전자코일의 구동 코어와 고정 코어의 접촉면 형상에 따른 전자기력 특성의 변화를 해석하였고 그 결과를 이용해 다양한 구조에 대한 전자기력 특성을 연구하였다.
따라서 본 논문은 FEM 해석 프로그램을 이용하여 실제 전자코일 모델의 실험 결과와 해석 결과의 비교, 인가전압과 권선수의 변화에 따른 전자코일의 전자기력 특성 파악을 통해 유한요소법 기반 모델의 정확성을 검증하였다. 또한 전자코일의 구동 코어와 고정 코어의 접촉면 형상에 따른 전자기력 특성의 변화를 해석하였고 그 결과를 이용해 다양한 구조에 대한 전자기력 특성을 연구하였다.
전자코일의 다양한 인가전압에 따른 전자기력의 변화를 연구하였다. 40~100V의 인가전압으로 해석을 진행하였으며 전자코일의 전자기력은 인가전압의 증가에 따라 전반적으로 커진다.

제안 방법

전자코일의 다양한 인가전압에 따른 전자기력의 변화를 연구하였다. 40~100V의 인가전압으로 해석을 진행하였으며 전자코일의 전자기력은 인가전압의 증가에 따라 전반적으로 커진다. 따라서 인가전압이 높을수록 코일에 흐르는 전류의 크기가 커져서 구동 코어가 받는 전자기력이 증가하게 된다.
10은 A 모델의 air gap 변화에 대한 해석 모델을 나타낸다. A 모델의 경우에만 air gap이 존재하기 때문에 코어 사이의 0~6mm air gap에 대한 전자기력 변화를 해석하였다. Fig.
29mm인 두 종류의 코일로 구성되어 있고, 접촉면의 기울기는 0°, 코어간 거리는 19mm이다. 두 전자코일을 해석할 때 코일 주변에 있는 중요 부품을 중점적으로 해석하였다. Rod는 직접적으로 전자기력을 받아서 구동하는 부분이 아니므로 해석에서 제외시키고 진행하였다.
전자접촉기의 구동부에 솔레노이드가 일반적으로 사용되며 다중 코일을 사용한 솔레노이드[10], 원뿔 모양의 코어 접촉면을 가진 솔레노이드[11] 등 그 종류가 매우 다양하다. 이러한 고압 전자접촉기를 해석하기 위하여 Fig. 1에서 나타낸 DC 1.5kV급으로 사용되는 A 모델과 DC 4kV급으로 사용되는 B 모델을 수치해석 모델로 선정하였으며, 코일의 권선수, 인가전압, 코어 접촉면의 기울기, air gap의 요인에 의한 전자코일의 전자기력 특성을 해석하였다. 구조는 크게 코일과 그 코일을 덮고 있는 절연부분과 기타 부품들, 실질적인 구동부분인 구동 코어와 고정 코어, 구동 코어와 결합되어 동작하는 rod로 구성된다.
4와 같이 force gauge를 이용하여 구동 코어가 rod를 미는 힘을 측정하였다. 전자코일에 전류가 인가되면 구동 코어가 전자기력을 받게 되어 rod가 밀려 나오는 힘을 force gauge로 측정하는 실험으로 stroke에 따른 rod의 위치를 조절하여 힘을 측정하였다. Fig.
코어 접촉면에 따른 전자기력의 특성 정립을 위하여 다양한 형상에 대한 전자기력의 특성을 확인하였다. 코어 접촉면의 형상에 따라 전자기력의 특성이 다르게 나타남을 확인하여 코어 접촉면의 기울기, air gap의 크기에 따른 전자기력 특성 변화를 연구하였다.
코어 접촉면의 0~60°기울기에 대한 전자기력 변화를 해석하였다.
코어 접촉면의 기울기가 60°를 넘으면 코어의 길이가 너무 길어져 실제 설계 시 적용이 힘들 것으로 판단되므로 60°를 최대치로 선정하였다.
코어 접촉면에 따른 전자기력의 특성 정립을 위하여 다양한 형상에 대한 전자기력의 특성을 확인하였다. 코어 접촉면의 형상에 따라 전자기력의 특성이 다르게 나타남을 확인하여 코어 접촉면의 기울기, air gap의 크기에 따른 전자기력 특성 변화를 연구하였다. 코어의 접촉면이 날카로워질수록 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 적어지는 것으로 파악되었다.
권선수는 전자코일의 전자기력 세기를 결정하는 인자 중 하나로 권선수 또한 전자기력의 증가에 영향을 준다. 코일의 발열량 및 bobbin의 크기에 따른 권선수의 한계가 존재하지만, 통상적으로 권선수가 클수록 더 큰 전자기력이 발생하므로 해석의 검증을 위하여 다양한 권선수에 따른 전자기력의 특성을 분석하였다. 권선수가 2000회일 때는 구동하기에 적절한 자기장이 형성되지 않아서 다른 경우들과 기울기가 차이가 나며 4000회 이상의 경우 동일한 경향을 보이고 계속해서 권선수의 증가함에 따라 전자기력이 증가하는 것을 확인하였다.

대상 데이터

A 모델은 직경이 0.45mm인 코일로 구성되어 있으며, 접촉면의 기울기가 45°이고 코어간 거리는 10.8mm이다.

데이터처리

해석 모델의 적합성을 검증하기 위해서 A 모델을 실험데이터와 비교하였다. Fig.

이론/모형

전자코일의 전자기력 특성 정립을 위해 유한요소법에 기반하는 모델을 이용하였다. 이러한 모델을 통해 실험 데이터와 해석 데이터의 비교 및 인가전압과 권선수가 증가할수록 전자기력이 스트로크 전 구간에 걸쳐 증가하는 경향을 확인함으로써 해석의 신뢰성을 검증하였다.

성능/효과

또한 스트로크에 따른 전자기력이 선형적으로 증가하는 것으로 파악된다. Air gap이 클 때는 코어 접촉면의 자속밀도가 작아 스트로크 초기 구간의 전자기력은 약하지만 최종 구간에는 가장 큰 전자기력을 발생시키는 것으로 확인하였다.
따라서 인가전압이 높을수록 코일에 흐르는 전류의 크기가 커져서 구동 코어가 받는 전자기력이 증가하게 된다. Fig. 2의 그래프를 보면 인가전압이 50V에서 100V로 두 배 증가했을 때 전자기력은 전체 스트로크에서 평균적으로 약 2.2배 증가하였음을 확인하였다(Table 1). 인가전압의 증가에 따라 전자기력이 스트로크의 전 구간에서 커지는 것을 확인하여 해석 모델을 검증하였다.
권선수가 2000회일 때는 구동하기에 적절한 자기장이 형성되지 않아서 다른 경우들과 기울기가 차이가 나며 4000회 이상의 경우 동일한 경향을 보이고 계속해서 권선수의 증가함에 따라 전자기력이 증가하는 것을 확인하였다.
코어의 접촉면이 날카로워질수록 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 적어지는 것으로 파악되었다. 그리고 기울기와 air gap의 크기가 전자코일의 스트로크에 따른 전자기력 특성을 변화시킬 수 있고 접촉면의 기울기가 0°이거나 air gap이 6mm인 평평한 상태에서는 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 기울기 60°에서는 전자기력의 증가량이 미미하거나 오히려 감소하는 상태에 이르는 것을 확인하였고 기울기가 45°인 경우에는 전자기력이 선형적으로 증가하는 경향을 보이므로 스트로크 전 구간에서 일정한 힘이 필요하거나 제어를 필요로 하는 용도에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
기울기가 60°일 때는 전자기력이 거의 증가하지 않고 B 모델에서는 오히려 스트로크 후반에 감소하는 경향을 보였다.
또한 기울기 60°에서는 전자기력의 증가량이 미미하거나 오히려 감소하는 상태에 이르는 것을 확인하였고 기울기가 45°인 경우에는 전자기력이 선형적으로 증가하는 경향을 보이므로 스트로크 전 구간에서 일정한 힘이 필요하거나 제어를 필요로 하는 용도에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 코어 접촉면의 자속밀도 분포와 스트로크에 따른 전자기력 특성이 연관이 있는 것으로 분석되며 이를 통해 코어 접촉면의 기울기와 air gap의 크기를 조절하여 다양한 용도에 전자코일의 적용가능성을 확인하였다.
그리고 기울기와 air gap의 크기가 전자코일의 스트로크에 따른 전자기력 특성을 변화시킬 수 있고 접촉면의 기울기가 0°이거나 air gap이 6mm인 평평한 상태에서는 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 기울기 60°에서는 전자기력의 증가량이 미미하거나 오히려 감소하는 상태에 이르는 것을 확인하였고 기울기가 45°인 경우에는 전자기력이 선형적으로 증가하는 경향을 보이므로 스트로크 전 구간에서 일정한 힘이 필요하거나 제어를 필요로 하는 용도에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 코어 접촉면의 자속밀도 분포와 스트로크에 따른 전자기력 특성이 연관이 있는 것으로 분석되며 이를 통해 코어 접촉면의 기울기와 air gap의 크기를 조절하여 다양한 용도에 전자코일의 적용가능성을 확인하였다.
또한 기울기가 45°일 때 전자기력이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다.
전자코일의 전자기력 특성 정립을 위해 유한요소법에 기반하는 모델을 이용하였다. 이러한 모델을 통해 실험 데이터와 해석 데이터의 비교 및 인가전압과 권선수가 증가할수록 전자기력이 스트로크 전 구간에 걸쳐 증가하는 경향을 확인함으로써 해석의 신뢰성을 검증하였다.
기울기가 60°일 때는 전자기력이 거의 증가하지 않고 B 모델에서는 오히려 스트로크 후반에 감소하는 경향을 보였다. 이를 통해 코어의 자속밀도 분포와 스트로크에 따른 전자기력 증가가 관련이 있는 것으로 확인하였다.
2배 증가하였음을 확인하였다(Table 1). 인가전압의 증가에 따라 전자기력이 스트로크의 전 구간에서 커지는 것을 확인하여 해석 모델을 검증하였다.
코어 접촉면의 형상에 따라 전자기력의 특성이 다르게 나타남을 확인하여 코어 접촉면의 기울기, air gap의 크기에 따른 전자기력 특성 변화를 연구하였다. 코어의 접촉면이 날카로워질수록 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 적어지는 것으로 파악되었다. 그리고 기울기와 air gap의 크기가 전자코일의 스트로크에 따른 전자기력 특성을 변화시킬 수 있고 접촉면의 기울기가 0°이거나 air gap이 6mm인 평평한 상태에서는 스트로크에 따른 전자기력의 차이가 크다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자코일의 정상 동작이 가능한 조건은?	이러한 과정에서 전자접촉기의 구동부인 전자코일의 전자기력 특성을 해석하는 것이 중요하다[2]. 전자코일은 복귀 스프링의 탄성력보다 더 큰 전자기력을 가져야 정상적으로 동작이 가능하다[3-5]. 그러므로 전자코일의 스트로크 전반에 걸친 전자기력 특성을 파악하는 것이 요구된다.
	전자코일의 역할은?	전자접촉기는 전기 회로에 사용하는 개폐기 중 하나로 산업계 전반에 걸쳐서 폭 넓게 사용되고 있다. 이 전자접촉기의 구동부인 전자코일은 전기 회로를 개폐하는 역할을 맡고 있고 전자접촉기의 동작 성능에 중요한 역할을 한다. 이 논문은 유한요소법을 이용하여 실험데이터를 반영한 해석 모델을 구현하였으며 인가전압과 권선수의 변화에 대한 전자기력의 특성 확인을 통해 해석 모델을 검증하였다.
	고압 전자접촉기의 국산화 개발을 위해 해외 의존도를 탈피할 수 있는 원천기술 확보가 요구되어지는데 이 과정에서 중요한 것은?	고압 전자접촉기의 국산화 개발을 위해 해외 의존도를 탈피할 수 있는 원천기술 확보가 요구되어지고 있다[1]. 이러한 과정에서 전자접촉기의 구동부인 전자코일의 전자기력 특성을 해석하는 것이 중요하다[2]. 전자코일은 복귀 스프링의 탄성력보다 더 큰 전자기력을 가져야 정상적으로 동작이 가능하다[3-5].

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www.wjem.co.kr (Accessed 1 October 2015).

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