본 논문은 트램-트레인 추진용 130kW급 IPMSM 설계에 관한 연구이다. 트램-트레인은 속도 가변 영역이 넓은 특성을 가지고 있다. 그러한 이유로 넓은 속도 가변 특성을 갖는 IPMSM으로 트램-트레인 추진용 전동기로 제안하고, 요구 견인력에 적합한 기초 모델을 설계하였다. IPMSM은 회전자의 형상에 따라 전자기적 특성 및 구조 특성이 상이하게 된다. 따라서 추가적으로 영구자석을 분할하여 Bridge를 추가한 형상으로 변경한 제안 모델도 설계하였다. 기초 모델과 제안 모델을 유한요소해석을 통해 부하 특성 및 구조 특성을 분석하여 최종적으로 트램-트레인 추진용 IPMSM에 만족하는 모델을 도출하였다.
본 논문은 트램-트레인 추진용 130kW급 IPMSM 설계에 관한 연구이다. 트램-트레인은 속도 가변 영역이 넓은 특성을 가지고 있다. 그러한 이유로 넓은 속도 가변 특성을 갖는 IPMSM으로 트램-트레인 추진용 전동기로 제안하고, 요구 견인력에 적합한 기초 모델을 설계하였다. IPMSM은 회전자의 형상에 따라 전자기적 특성 및 구조 특성이 상이하게 된다. 따라서 추가적으로 영구자석을 분할하여 Bridge를 추가한 형상으로 변경한 제안 모델도 설계하였다. 기초 모델과 제안 모델을 유한요소해석을 통해 부하 특성 및 구조 특성을 분석하여 최종적으로 트램-트레인 추진용 IPMSM에 만족하는 모델을 도출하였다.
This study considers the design of a 130kW-class IPMSM for propulsion of a Tram-Train. This Tram-Train has a wide range of speed variation. For this reason, this study suggested IPMSM, which has wide speed variation as a motor for propulsion of the Tram-Train, a basic model suitable for the required...
This study considers the design of a 130kW-class IPMSM for propulsion of a Tram-Train. This Tram-Train has a wide range of speed variation. For this reason, this study suggested IPMSM, which has wide speed variation as a motor for propulsion of the Tram-Train, a basic model suitable for the required traction force was designed. IPMSM has different electromagnetic and structural characteristics depending on the shapes of its rotor. Therefore, the suggested model was additionally designed, and by dividing a permanent magnet was changed so as th have a shape with an added bridge. Finally, by analyzing the load characteristics with finite element analysis of the basic and suggested models and by comparing electromagnetic and structural characteristics, a model has been derived that satisfies IPMSM for the propulsion of the Tram-Train.
This study considers the design of a 130kW-class IPMSM for propulsion of a Tram-Train. This Tram-Train has a wide range of speed variation. For this reason, this study suggested IPMSM, which has wide speed variation as a motor for propulsion of the Tram-Train, a basic model suitable for the required traction force was designed. IPMSM has different electromagnetic and structural characteristics depending on the shapes of its rotor. Therefore, the suggested model was additionally designed, and by dividing a permanent magnet was changed so as th have a shape with an added bridge. Finally, by analyzing the load characteristics with finite element analysis of the basic and suggested models and by comparing electromagnetic and structural characteristics, a model has been derived that satisfies IPMSM for the propulsion of the Tram-Train.
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문제 정의
이러한 이유로 최근 IPMSM은 자동차용 견인전동기에서 철도차량용 견인전동기로 그 영역을 넓혀가고 있다[1]. 따라서 본 논문에서는 속도 가변 영역이 넓기 때문에 저속에서 고속운전영역까지 성능이 우수한 IPMSM을 트램-트레인용 견인전동기로 제안하기 위하여, 트램-트레인의 트램 구간과 트레인 구간에서의 요구견인력 특성을 도출하고, 도출된 견인전동기의 요구견인력 특성에 근거하여 IPMSM 기초 모델을 설계하였다. 또한, IPMSM은 회전자의 형상에 따라 전자기적 특성 및 구조 특성이 상이하게 된다.
따라서 트램-트레인의 경우, 도심 안에서의 저속운전 및 도시간 이동 시의 고속운전이 모두 가능한 추진시스템의 개발이 필수적으로 요구된다. 본 논문에서는 속도 가변 영역이 넓기 때문에 저속에서 고속 운전영역까지 성능이 우수한 IPMSM을 트램-트레인 추진용 견인전동기로 제안하였으며, 트램-트레인의 트램 구간과 트레인 구간에서의 요구견인력 특성을 도출하였다. 또한 도출된 견인전동기의 요구견인력 특성에 근거하여 IPMSM 기초 모델을 도출하고, FEM Tool을 활용하여 특성 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 트램-트레인 추진용 130kW급 IPMSM을 기초 설계를 수행하였다. Fig.
따라서, 추가적으로 영구자석을 분할하여 Bridge를 추가한 형상으로 변경한 제안 모델도 설계하였다. 유한요소해석을 통해 기초 모델과 제안 모델의 부하 특성을 분석하고, 전자기적 특성과 구조 특성을 비교 분석하여 최종적으로 트램-트레인 추진용 IPMSM에 만족하는 모델을 도출하는 목표로 설정하였다.
제안 방법
따라서 추가적으로 영구자석을 분할하여 Bridge를 추가한 형상으로 변경한 제안 모델도 설계하였다. 기초 모델과 제안 모델을 유한요소해석을 통해 부하 특성을 분석하고, 전자기적 특성과 구조 특성을 비교 분석하여 최종적으로 트램-트레인 추진용 IPMSM에 만족하는 모델을 도출하였다. 향후 상세 설계 및 최적화 설계를 통해 토크리플과 손실을 줄이고, 효율을 높이는 설계를 진행할 것이다.
본 논문에서는 속도 가변 영역이 넓기 때문에 저속에서 고속 운전영역까지 성능이 우수한 IPMSM을 트램-트레인 추진용 견인전동기로 제안하였으며, 트램-트레인의 트램 구간과 트레인 구간에서의 요구견인력 특성을 도출하였다. 또한 도출된 견인전동기의 요구견인력 특성에 근거하여 IPMSM 기초 모델을 도출하고, FEM Tool을 활용하여 특성 분석을 수행하였다. 특성 분석 결과 주어진 속도에 따른 요구 견인력 및 전압 제한치 특성을 만족시킬 수 있었다.
대상 데이터
Fig. 1(a)는 영국의 셰필드-로더럼 구간을 2017년도부터 운행 예정인 트램트레인 차량으로써, Vossloh에서 제작하였으며, 최고 운영속도는 110km/h이다. Fig.
데이터처리
또한, 영구자석을 분할하였기 때문에 제작성도 개선된다. 기초 모델과 같은 조건으로 상용 FEM Tool을 활용하여 특성 분석을 수행하였다. Fig.
설계된 IPMSM 모델을 상용 FEM Tool을 활용하여 특성 분석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
본 논문에서는 회전자가 회전 시 원심력에 의해 영구자석이 밖으로 튀어나가려고 하는 힘을 인장력, 영구자석의 비산을 버티는 힘을 응력으로 규정하고, 본 논문에서의 회전자 코어 재질은 35PN230(S08)이며, 구조해석에 필요한 각 재질의 물성치는 Table 6에 정리하였다. 구조적 특성을 알아보기 위해 기계적 강도해석은 상용 Tool를 활용한 유한요소법을 수행하였다[7]. 응력을 가장 많이 받는 Rib과 Bridge이며, 각 모델에 대한 Rib의 두께는 1.
성능/효과
또한, 제작 시 영구자석을 분할하여 조립할 경우 분할하지 않은 자석에 비해 제작성이 더 유리해지며, 안전성 또한 장점을 가진다. 결론적으로 구조적으로 보아도 제안 모델이 기초 모델에 비해 유리한 점을 가지므로 트램-트레인 추진용 견인전동기에 적합하다.
8(b)는 각 모델의 속도-토크 곡선을 보여주며, 기초 모델보다 제안 모델이 저속 영역뿐만 아니라 고속 영역에서 약 4% 이상의 큰 토크를 발생시키는 것이 확인 되었다. 결론적으로 속도 가변 영역이 넓어야 되는 트램-트레인 추진용 IPMSM에는 기초 모델보다 저속 및 고속에서 큰 토크를 발생시킬 수 있는 제안 모델이 적합하다는 것을 확인할 수가 있다.
후속연구
기초 모델과 제안 모델을 유한요소해석을 통해 부하 특성을 분석하고, 전자기적 특성과 구조 특성을 비교 분석하여 최종적으로 트램-트레인 추진용 IPMSM에 만족하는 모델을 도출하였다. 향후 상세 설계 및 최적화 설계를 통해 토크리플과 손실을 줄이고, 효율을 높이는 설계를 진행할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트램-트레인의 개념은 무엇인가?
특히 일반 도로에서 자동차와 함께 운행 가능하면서 건설비도 상대적으로 적은 트램 규모의 철도차량을 활용한 트램-트레인 시스템은 향후 도심의 교통 문제를 해결해 줄 유력한 방안 중의 하나이다. 트램-트레인의 개념은 철도 차량이 두 가지 운행 모드 즉, 도심 센터를 운행하는 트램 기능과 기존의 도시 간 지역철도 네트워크를 서비스하는 통근열차로 동시에 운행하는 시스템이다. 이러한 이중 운행방식 개념은 상당한 운영 탄력성과 철도인프라 시설과 연결지점의 효율적인 사용을 제공한다.
이중 운행방식이 가지는 이점은 무엇인가?
트램-트레인의 개념은 철도 차량이 두 가지 운행 모드 즉, 도심 센터를 운행하는 트램 기능과 기존의 도시 간 지역철도 네트워크를 서비스하는 통근열차로 동시에 운행하는 시스템이다. 이러한 이중 운행방식 개념은 상당한 운영 탄력성과 철도인프라 시설과 연결지점의 효율적인 사용을 제공한다. Fig.
트램-트레인이 100km/h 이상의 주행이 가능한 준고속열차의 성능을 보유해야 함에 따라 요구되는 것은 무엇인가?
트램-트레인은 도심 안에서뿐만 아니라 도시와 도시간의 연결 교통수단으로 활용이 가능하므로 차량의 경우 100km/h 이상의 주행이 가능한 준고속열차의 성능을 보유하여야 한다. 따라서 도심 안에서의 저속운전 및 도시간 이동 시의 고속운전이 모두 가능한 추진시스템의 개발이 필수적으로 요구된다.
참고문헌 (7)
R.E. Kim, J.C. Kim B.C. Kim, Y.H. Park, J.S. Han (2011) Development of totally enclosed traction motor for low floor tram, The Korean Society for Railway Spring Conference, Hoengseong, pp. 1642-1646.
G.C. Jeong, C.B. Park, T.C. Jeong, J. Lee (2015) A study on the characteristics analysis according to the permanent magnet segmentation change to IPMSM for urban railway vehicle, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 64(10), pp. 1486-1492.
C.B. Park, J.H. Kim, J.H. Lee (2014) Thermal characteristic analysis of IPMSM for traction considering a driving pattern of urban railway vehicles, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 63(3), pp. 431-436.
C.B. Park, J.H. Lee, B.S. Lee (2013) A study on the water-cooling jacket design of IPMSM for railway vehicles, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(10), pp. 1475-1480.
K.H. Kang, S.J. Yu, H.C. Ahn, J.H. Kim, S.Y. Jung (2011) A method to analyze the strength of bridge in IPM type permanent magnet motor considering the effect of mechanical fatigue characteristic, The Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference, pp. 999-1000.
S.T. Oh, J.W. Choi, B.H. Kang (2012) The structural analysis of a magnetic inserting bridge thickness in the rotor core of SIPM considering No-bonding conditions, The Korean Society of Mechanical Engineers CAE and Applied Mechanics Spring Conference, pp. 77-78.
K.H. Jung, J.H. Kwak, B.J. Kim, J.M. Lee (2007) Structural safty evaluation of compressor driving motor shaft system, The Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference, pp. 2211-2216.
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