[국내논문]초고속열차용 LSM 설계 검증을 위한 회전형 구조의 LSM 및 시험기 설계 연구 Study on the Design of a Rotary-type LSM and Test Equipment for Design Verification of LSM for Ultra-high-speed Train원문보기
초고속열차 추진용 실모델 선형동기전동기(Linear Synchronous Motor, LSM)의 고속운전시험을 위해서는 매우 긴 노선이 필요하고, 이로 인해 막대한 비용이 요구되며, 개발 도중 시행오차가 발생할 경우 경제적 손실이 크게 발생할 우려가 있다. 따라서 저 비용의 축소모델을 이용한 LSM 설계 기술의 타당성 검증 연구가 개발 초기 단계에 이루어져야 한다. 회전형 구조를 갖는 LSM 축소모델을 적용한 성능시험기를 통하여 LSM의 지상전기자 권선의 최적방식 도출 및 기기적 특성 파악이 가능하며, 제어시스템의 선행연구 수행에 활용이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 600km/h급 초고속열차 추진용 LSM의 요구사양에 부합하는 회전형 시험기의 설계 모델을 도출하고, 전자계 해석 및 기구적 강성 해석을 통하여 1500rpm 이상의 고속 회전 조건에서의 최적 모델을 도출하였다.
초고속열차 추진용 실모델 선형동기전동기(Linear Synchronous Motor, LSM)의 고속운전시험을 위해서는 매우 긴 노선이 필요하고, 이로 인해 막대한 비용이 요구되며, 개발 도중 시행오차가 발생할 경우 경제적 손실이 크게 발생할 우려가 있다. 따라서 저 비용의 축소모델을 이용한 LSM 설계 기술의 타당성 검증 연구가 개발 초기 단계에 이루어져야 한다. 회전형 구조를 갖는 LSM 축소모델을 적용한 성능시험기를 통하여 LSM의 지상전기자 권선의 최적방식 도출 및 기기적 특성 파악이 가능하며, 제어시스템의 선행연구 수행에 활용이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 600km/h급 초고속열차 추진용 LSM의 요구사양에 부합하는 회전형 시험기의 설계 모델을 도출하고, 전자계 해석 및 기구적 강성 해석을 통하여 1500rpm 이상의 고속 회전 조건에서의 최적 모델을 도출하였다.
A very long test track is required for high-speed operation test of the real-scale Linear Synchronous Motor (LSM) for ultra-high-speed trains. The required length results in huge construction cost and economic loss if any error occurs during development. Therefore, validation study of the LSM design...
A very long test track is required for high-speed operation test of the real-scale Linear Synchronous Motor (LSM) for ultra-high-speed trains. The required length results in huge construction cost and economic loss if any error occurs during development. Therefore, validation study of the LSM design technology using a low-cost small-scale model must be carried out in the early research stages. It is possible to deduce an optimal winding method for the armature and determine the mechanical properties of the LSM through a performance tester that applies a rotary-type small-scale LSM model. In addition, it is possible to utilize previous research on LSM control systems. Therefore, a basic design model, comprising a rotary-type LSM tester that meets the requirements for the propulsion of 600km/h-class ultra-high-speed trains, is derived in this study. Finally, an optimal model, which has a stable structure under the condition of 1500rpm or more high-speed rotation, is derived by electromagnetic and mechanical stiffness analysis.
A very long test track is required for high-speed operation test of the real-scale Linear Synchronous Motor (LSM) for ultra-high-speed trains. The required length results in huge construction cost and economic loss if any error occurs during development. Therefore, validation study of the LSM design technology using a low-cost small-scale model must be carried out in the early research stages. It is possible to deduce an optimal winding method for the armature and determine the mechanical properties of the LSM through a performance tester that applies a rotary-type small-scale LSM model. In addition, it is possible to utilize previous research on LSM control systems. Therefore, a basic design model, comprising a rotary-type LSM tester that meets the requirements for the propulsion of 600km/h-class ultra-high-speed trains, is derived in this study. Finally, an optimal model, which has a stable structure under the condition of 1500rpm or more high-speed rotation, is derived by electromagnetic and mechanical stiffness analysis.
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문제 정의
초고속 LSM이 600km/h의 속도로 주행하기 위해서는 충분한 주행거리가 확보되어야 하는데, 이렇게 충분한 주행거리를 확보하기 위해서는 큰 공간과 설비 비용이 소요되기 때문에 본 논문에서는 최고속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전형 타입으로 설계하고자 한다. 또한 LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하고자 한다. 마지막으로 선속도 600km/h에 상응하는 고속 회전조건에서 진동이나 탈조의 위험 없이 안정적으로 회전하기 위한 축소 고속형 LSM 및 회전계자를 지지하는 회전체 부분의 기구적 강성 해석을 통한 안정적인 구조를 도출하고자 한다.
또한 LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하고자 한다. 마지막으로 선속도 600km/h에 상응하는 고속 회전조건에서 진동이나 탈조의 위험 없이 안정적으로 회전하기 위한 축소 고속형 LSM 및 회전계자를 지지하는 회전체 부분의 기구적 강성 해석을 통한 안정적인 구조를 도출하고자 한다. Fig.
5에서 보는 바와 같이, 설계된 LSM모델은 모듈형 코일을 적용한 집중권 방식으로써, 공극은 5mm이고, 극간격은 150mm이다. 모듈형 코일은 매극매상수가 1인 모듈형 단위로 제작하여 각 상 모듈형 코일을 조합하는 방식으로, 모듈형 코일이 적용되는 집중권 모델의 경우, 모듈형 코일을 따로 제작하여 현장에 설치 시 쉽고 빠르게 시공이 가능한 장점을 가지고 있기 때문에 본 연구에서는 최종적으로 집중권 방식을 채택하여 그 특성을 연구하였다. 기초 설계가 완료된 20kW급 LSM 모델의 주요 설계 사양을 Table 1에 정리하였다.
본 논문에서는 LSM의 성능평가를 위한 회전형 구조의 LSM 시험기를 설계하기 위하여 먼저 LSM의 설계 사양을 도출하였다. 일반적인 설계 프로세스에 의하면, 회전형 구조의 LSM 시험기의 직경과 극 수를 정한다면, 극 피치를 결정할 수 있다[3,4].
본 논문에서는 최고속도가 600km/h급인 초고속열차 추진용 LSM의 성능시험을 위한 회전형 구조의 LSM 및 성능시험기를 설계하였다. 설계된 LSM 모델은 모듈형 코일을 적용한 집중권 방식으로써, 최고 선속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전계자 타입으로 기본 설계를 수행하였으며, LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하였다.
본 논문에서는 최고속도가 600km/h급인 초고속철도 추진용 LSM의 성능시험을 위한 회전형 구조의 LSM 및 성능시험기를 설계하고자 한다. 초고속 LSM이 600km/h의 속도로 주행하기 위해서는 충분한 주행거리가 확보되어야 하는데, 이렇게 충분한 주행거리를 확보하기 위해서는 큰 공간과 설비 비용이 소요되기 때문에 본 논문에서는 최고속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전형 타입으로 설계하고자 한다.
본 논문에서는 회전형 구조를 갖는 LSM 기본 모델에 대한 이동자와 고정자의 기본 형상 설계를 진행한 후에 추진력 리플의 최소화를 위한 최적화 설계를 수행하였다. 일반적으로LSM의 경우, 구동 시 큰 추진력 리플이 존재한다.
본 논문에서는 회전형 구조의 20kW급 LSM의 기초 설계를 수행하였다. Fig.
본 논문에서는 최고속도가 600km/h급인 초고속철도 추진용 LSM의 성능시험을 위한 회전형 구조의 LSM 및 성능시험기를 설계하고자 한다. 초고속 LSM이 600km/h의 속도로 주행하기 위해서는 충분한 주행거리가 확보되어야 하는데, 이렇게 충분한 주행거리를 확보하기 위해서는 큰 공간과 설비 비용이 소요되기 때문에 본 논문에서는 최고속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전형 타입으로 설계하고자 한다. 또한 LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하고자 한다.
제안 방법
2와 같이 회전형 구조의 LSM 회전 계자의 직경에 따라 달라진다. Fig. 2에서 보는 바와 같이, 회전형 구조의 LSM 회전 계자의 외경이 작아질수록 회전속도가 커지므로 본 LSM 시험기에서는 고속 회전 시의 시스템의 안정성을 확보하기 위하여 LSM 회전 계자의 외경을 2m로 선택하였다. 이 경우, LSM이 600km/h의 선속도로 구동될 시 회전 계자의 회전속도는 1593rpm이 되며, 회전형 구조의 LSM의 전체 극 수를 60으로 설계가 가능하다.
3은 본 논문에서 적용된LSM 설계 프로세스를 보여준다. Fig. 3에서 보는 바와 같이, LSM의 초기 설계 시 자기장하와 전기장하의 분배를 활용하여 전기자와 계자의 초기 사이즈, 권선 레이아웃, 턴 수 등을 결정하였으며, 이동자와 고정자의 형상 설계 후, 최적화를 통하여 추진력 리플의 최소화를 수행하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 회전체 제작 비용을 고려하여 Housing과 Boss plate의 두께를 각각 15mm, 10mm로 선택하였다. 다음으로 회전체 조립 설계 모델의 Mode해석을 수행하였다. 회전체에 대한 Mode해석을 수행함으로써, 회전체의 고유진동수 파악 및 위험 회전속도를 산출할 수 있다.
본 논문에서는 먼저 회전계자를 구성하는 회전체의 1/8 분할 코어를 지지하는 Housing Boss-Plate의 응력해석을 수행하였다. 주어진 추진력과 수직력 등의 부하조건에 따른 응력 및 안전계수를 분석함으로써 구조적 안정성을 확보(안전계수 3이상)할 수 있는 Housing과 Boss-plate의 두께 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 step unit을 11로 설정하여 회전축을 중심으로 기준이 되는 step unit으로부터 -5θ부터 5θ까지 θ(0.4°)단위로 이동하여 총 4°의 step-skew각도를 적용하였다.
본 논문에서는 최고속도가 600km/h급인 초고속열차 추진용 LSM의 성능시험을 위한 회전형 구조의 LSM 및 성능시험기를 설계하였다. 설계된 LSM 모델은 모듈형 코일을 적용한 집중권 방식으로써, 최고 선속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전계자 타입으로 기본 설계를 수행하였으며, LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하였다. LSM의 추진력 리플 저감을 위하여 Stepskew 기법을 적용하였으며, 기본 모델 대비 80% 정도의 추진력 리플을 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 먼저 회전계자를 구성하는 회전체의 1/8 분할 코어를 지지하는 Housing Boss-Plate의 응력해석을 수행하였다. 주어진 추진력과 수직력 등의 부하조건에 따른 응력 및 안전계수를 분석함으로써 구조적 안정성을 확보(안전계수 3이상)할 수 있는 Housing과 Boss-plate의 두께 최적화를 수행하였다. Fig.
대상 데이터
11(b)에서 보는 바와 같이, Boss-plate의 두께는 10mm 이상부터 허용 안전계수 3 이상이 확보되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 회전체 제작 비용을 고려하여 Housing과 Boss plate의 두께를 각각 15mm, 10mm로 선택하였다. 다음으로 회전체 조립 설계 모델의 Mode해석을 수행하였다.
데이터처리
설계된 LSM 모델을 상용 FEM-Tool을 활용하여 전자기적 특성 분석을 수행하였다. Fig.
이론/모형
설계된 LSM 모델은 모듈형 코일을 적용한 집중권 방식으로써, 최고 선속도 600km/h를 달성하는 LSM 설계 모델을 기반으로 이동자에 해당되는 전자석 부분을 회전계자 타입으로 기본 설계를 수행하였으며, LSM의 정격운전 시 회전체 진동의 원인이 될 수 있는 추진력 리플의 최소화를 위하여 최적화 설계를 수행하였다. LSM의 추진력 리플 저감을 위하여 Stepskew 기법을 적용하였으며, 기본 모델 대비 80% 정도의 추진력 리플을 줄일 수 있었다. 마지막으로 선속도 600km/h에 상응하는 고속 회전조건에서 진동이나 탈조의 위험 없이 안정적으로 회전하기 위한 축소 고속형 LSM 및 회전계자를 지지하는 회전체 부분의 기구적 강성 해석을 통한 안정적인 구조를 도출하였다.
이러한 리플은 자기부상열차의 경우에는 고속 주행 시 제어에 대해서 외란 성분으로도 작용할 수 있으며, 휠-레일 방식의 초고속열차에서는 승차감에도 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 추진력 리플의 저감은 LSM의 설계 및 제어에 있어서 중요한 고려 요소이다[5]. 이러한 큰 추진력 리플을 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있으며, 본 연구에서는 적층 코어에 적용하는skew기법을 이용하였다. Fig.
성능/효과
9는 Skew 각도 별 평균 추진력과 리플 저감 비율을 보여준다. Fig. 9에서 보는 바와 같이, Skew 각도가 커질수록 추진력 리플은 저감되지만 동시에 평균 추진력도 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 요구 추진력이 210N으로 제한되기 때문에 Skew 각도도 1.
Table 3에서 보는 바와 같이, 회전체의 Modal 진동수(고유진동수)와 Mode형상이 파악되었으며, 회전체의 위험 회전속도는 에너지 레벨이 가장 큰 1차 Mode(Pitching mode)를 기준으로 2019 rpm이 된다. 결론적으로, 본 논문에서 설계된 회전형 구조를 갖는 LSM성능시험기용 회전계자 적용 회전체의 최고 회전속도인 1593rpm을 벗어난 영역에 위험 회전속도가 존재하기 때문에 공진에 의한 과도진동의 위험은 없을 것으로 판단된다.
LSM의 추진력 리플 저감을 위하여 Stepskew 기법을 적용하였으며, 기본 모델 대비 80% 정도의 추진력 리플을 줄일 수 있었다. 마지막으로 선속도 600km/h에 상응하는 고속 회전조건에서 진동이나 탈조의 위험 없이 안정적으로 회전하기 위한 축소 고속형 LSM 및 회전계자를 지지하는 회전체 부분의 기구적 강성 해석을 통한 안정적인 구조를 도출하였다. 최종 설계된 회전형 구조의 LSM 성능 시험기는 회전계자의 직경이 2m이며, 회전속도가 최고 1,593rpm으로써, 회전체의 1/8 분할 코어를 지지하는 Housing과 Boss-Plate의 응력해석 및 조립 회전체의 Mode 해석을 통하여 설계된 LSM 성능시험기용 회전계자 적용 회전체의 최고 회전속도 시 안정성을 확인하였다.
마지막으로 선속도 600km/h에 상응하는 고속 회전조건에서 진동이나 탈조의 위험 없이 안정적으로 회전하기 위한 축소 고속형 LSM 및 회전계자를 지지하는 회전체 부분의 기구적 강성 해석을 통한 안정적인 구조를 도출하였다. 최종 설계된 회전형 구조의 LSM 성능 시험기는 회전계자의 직경이 2m이며, 회전속도가 최고 1,593rpm으로써, 회전체의 1/8 분할 코어를 지지하는 Housing과 Boss-Plate의 응력해석 및 조립 회전체의 Mode 해석을 통하여 설계된 LSM 성능시험기용 회전계자 적용 회전체의 최고 회전속도 시 안정성을 확인하였다. 향후 본 논문에서 설계된 시스템의 실 제작을 통하여 유효성 검증 연구를 진행할 계획이다.
후속연구
최종 설계된 회전형 구조의 LSM 성능 시험기는 회전계자의 직경이 2m이며, 회전속도가 최고 1,593rpm으로써, 회전체의 1/8 분할 코어를 지지하는 Housing과 Boss-Plate의 응력해석 및 조립 회전체의 Mode 해석을 통하여 설계된 LSM 성능시험기용 회전계자 적용 회전체의 최고 회전속도 시 안정성을 확인하였다. 향후 본 논문에서 설계된 시스템의 실 제작을 통하여 유효성 검증 연구를 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LSM의 설계 및 제어 시 추진력 리플을 저감해야하는 이유는 무엇인가?
일반적으로LSM의 경우, 구동 시 큰 추진력 리플이 존재한다. 이러한 리플은 자기부상열차의 경우에는 고속 주행 시 제어에 대해서 외란 성분으로도 작용할 수 있으며, 휠-레일 방식의 초고속열차에서는 승차감에도 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 추진력 리플의 저감은 LSM의 설계 및 제어에 있어서 중요한 고려 요소이다[5]. 이러한 큰 추진력 리플을 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있으며, 본 연구에서는 적층 코어에 적용하는skew기법을 이용하였다.
직선형 선형전동기 모델에 적용가능한 Step-skew 기법은 어떤 방법인가?
Fig. 7(a)에서 보는 바와 같이, 직선형 선형전동기 모델의 경우에는 적층 코어를 Step unit으로 구분하여 Step unit의 수 만큼 LSM의 진행 방향으로 단 차를 두면서 적층을 하여 코어를 완성한다. Fig.
초고속열차 추진용 선형동기전동기 제작에 상당한 비용이 지출되는 이유는 무엇인가?
초고속열차 추진용 선형동기전동기(Linear Synchronous Motor, 이하 LSM)는 이동자와 고정자 모두 직선형의 구조로 되어 있고, 지상에 고정되는 고정자의 경우 운전 구간 전체에 걸쳐서 시공되어야 하기 때문에 상당히 고가의 제작비용이 요구된다. 또한 발생된 추력의 영향을 받게 되는 이동자의 경우, 이동하는 부분이므로 발생된 추력을 측정하는데 기술적인 어려움이 존재한다.
참고문헌 (7)
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