집전전류에 의한 열원을 고려한 경량 판토그래프 상부암 혼성구조체의 열 특성 분석 연구 Thermal Characteristics Analysis of Upper Arm Hybrid Structure of Lightweight Pantograph Considering Heat Source by Collecting Current원문보기
최근 국내 철도 관련 기관에서 고속집전용 판토그래프를 개발하고 있으며, 이는 상부암의 경량화를 위하여 기존의 강재(Steel) 대신에 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)와 알루미늄의 혼성구조체를 적용한 구조를 갖는다. KTX-산천 열차의 경우, 한 대의 판토그래프를 통해서 열차에 필요한 모든 전력을 공급해야 하는 동력집중식이므로 판토그래프는 큰 통전 용량을 가져야 한다. 하지만, 알루미늄 파이프의 열적 특성 분석 없이 통전 용량을 증대시키기 위하여 파이프의 두께를 임의로 증가시키게 되면 상부암의 무게 증가로 집전성능의 저화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 KTX-산천 열차의 정지 상태에서 수전 시 판토그래프 상부암 혼성구조체를 이루는 알루미늄 파이프의 시간 경과에 따른 온도 특성 변화를 열해석을 통하여 분석하고, 제시된 판토그래프 통전 용량에 부합되는 알루미늄 파이프의 최소 두께의 적정성을 검토하고자 한다.
최근 국내 철도 관련 기관에서 고속집전용 판토그래프를 개발하고 있으며, 이는 상부암의 경량화를 위하여 기존의 강재(Steel) 대신에 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)와 알루미늄의 혼성구조체를 적용한 구조를 갖는다. KTX-산천 열차의 경우, 한 대의 판토그래프를 통해서 열차에 필요한 모든 전력을 공급해야 하는 동력집중식이므로 판토그래프는 큰 통전 용량을 가져야 한다. 하지만, 알루미늄 파이프의 열적 특성 분석 없이 통전 용량을 증대시키기 위하여 파이프의 두께를 임의로 증가시키게 되면 상부암의 무게 증가로 집전성능의 저화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 KTX-산천 열차의 정지 상태에서 수전 시 판토그래프 상부암 혼성구조체를 이루는 알루미늄 파이프의 시간 경과에 따른 온도 특성 변화를 열해석을 통하여 분석하고, 제시된 판토그래프 통전 용량에 부합되는 알루미늄 파이프의 최소 두께의 적정성을 검토하고자 한다.
Recently, domestic railway related institutes are developing pantographs for high speed trains; to lighten the upper arm, this device has a composite structure of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) and aluminum instead of conventional steel. In the case of KTX-Sancheon, the pantograph must have ...
Recently, domestic railway related institutes are developing pantographs for high speed trains; to lighten the upper arm, this device has a composite structure of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) and aluminum instead of conventional steel. In the case of KTX-Sancheon, the pantograph must have a large current capacity because this system is of power-car type, supplying all necessary power for the train through a single pantograph. If the thickness of the pipe is arbitrarily increased in order to increase the current carrying capacity, without analyzing the thermal characteristics of the aluminum pipe, the increase in the weight of the upper arm may cause degradation of the current collecting performance. Therefore, in this paper, using the thermal analysis technique, we analyze the temperature change characteristics of the aluminum pipe of the upper arm over time, while receiving power at the stationary state of the KTX-Sancheon; we also examine the adequacy of the minimum thickness of the aluminum pipe in accordance with the proposed pantograph flow capacity.
Recently, domestic railway related institutes are developing pantographs for high speed trains; to lighten the upper arm, this device has a composite structure of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) and aluminum instead of conventional steel. In the case of KTX-Sancheon, the pantograph must have a large current capacity because this system is of power-car type, supplying all necessary power for the train through a single pantograph. If the thickness of the pipe is arbitrarily increased in order to increase the current carrying capacity, without analyzing the thermal characteristics of the aluminum pipe, the increase in the weight of the upper arm may cause degradation of the current collecting performance. Therefore, in this paper, using the thermal analysis technique, we analyze the temperature change characteristics of the aluminum pipe of the upper arm over time, while receiving power at the stationary state of the KTX-Sancheon; we also examine the adequacy of the minimum thickness of the aluminum pipe in accordance with the proposed pantograph flow capacity.
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문제 정의
하지만, 알루미늄 파이프의 통전 용량을 증대시키기 위하여 파이프의 벽 두께를 분석 없이 증가시키게 되면 상부암의 무게 증가로 집전성능의 악화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 KTX-산천 열차의 정지 상태에서 수전 시 판토그래프 상부암 혼성구조체를 이루는 알루미늄 파이프의 시간 경과에 따른 온도 특성 변화를 열해석을 통하여 분석하고, 제시된 판토그래프 통전 용량에 부합되는 알루미늄 파이프의 최소 두께의 적정성 검토하고자 한다.
본 논문에서는 판토그래프 상부암 혼성 구조체를 이루는 원통형 알루미늄 파이프에 집전 전류가 흐를 때의 온도 변화 특성을 분석하기 위하여 전류에 의한 열원을 가지는 모델의 열해석 방법을 적용하였다. 최근 전류에 의한 열원을 가지는 모델의 열해석에 있어서는 Analytic method와 FEM을 결합한 하이브리드법이 가장 많이 사용되고 있는 추세이다[4-6].
본 논문에서는 판토그래프 상부암 혼성 구조체를 이루는 원통형 알루미늄 파이프에 집전 전류가 흐를 때의 온도 변화 특성을 분석하기 위한 열해석 모델링을 수행하였다. Fig.
제안 방법
본 논문에서는 KTX-산천 열차의 정지 상태에서 수전 시 판토그래프 상부암 혼성구조체를 이루는 알루미늄 파이프의 시간경과에 따른 온도 특성 변화를 FEM을 이용한 상용 열해석 Tool을 활용하여 분석하였으며, 제시된 판토그래프 통전 용량에 부합되는 알루미늄 파이프의 최소 벽 두께 적정성 검토를 수행하였다. 결론적으로 본 연구에서 수행한 상부암 혼성 구조체 모델의 다양한 설계 파라미터 변경에 따른 열해석을 수행하고 데이터를 분석한 결과, 상부암 혼성 구조체 모델은 다음과 같은 기준에 의해 선정되어야 한다.
본 논문에서는 판토그래프 상부암 혼성 구조체 모델에 있어서, 다음의 설계 파라미터 변경에 따른 열해석을 통한 온도 상승특성을 분석하였다.
대상 데이터
Table 1에 해석 모델의 재질 데이터를 정리하였으며, 재질별 밀도, 열전도율, 비열의 정보를 보여준다. Table 1에서 보는 바와 같이, 본 논문에서는 Thermal grease 로 실리콘 계열의 ICP4001과 에폭시 계열의 ABP 8060T 재료를 고려하였다. Fig.
이론/모형
Fig. 2에서 보는 바와 같이, 해석 모델은 전류가 흐르는 도체 외에 자성체가 존재하지 않기 때문에 열해석의 열원으로 입력되는 원통형 알루미늄 모델의 통전 시의 동손(Copper loss)값은 Analytic method를 통하여 도출하였다. 원통형 알루미늄 모델의 통전시 열해석 순서는 다음과 같다.
성능/효과
따라서 기구적 강도에 문제가 없다면 재료비 측면에서 유리한 80mm 외경과 2mm 두께를 선택하는 것이 적합할 것으로 보인다. 다음으로 알루미늄 파이프와 집전판방향의 알루미늄 구조체 사이의 Thermal Grease의 재질에 있어서는 실리콘 계열의 ICP 4001와 에폭시 계열의 ABP 8060T 사이의 열전도도는 9배 정도 차이가 나지만, 본 논문에서의 판토그래프 모델과 같이 열 소스가 적은 경우에는 Thermal Grease의 재질의 차이가 온도 상승에 큰 영향을 주지 않기 때문에 Thermal Grease는 가격이 저렴한 실리콘 계열의 ICP 4001이 적합할 것으로 판단된다.
알루미늄 파이프와 집전판 방향의 알루미늄 구조체 사이의 Thermal Grease의 재질 : 실리콘 계열의 ICP 4001와 에폭시 계열의 ABP 8060T 사이의 열전도도는 9배 정도 차이가 나지만, 본 논문에서의 판토그래프 모델과 같이 열 소스가 적은 경우에는Thermal Grease의 재질의 차이가 온도 상승에 큰 영향을 주지 않기 때문에 Thermal Grease는 가격이 저렴한 실리콘 계열의 ICP 4001로 선택을 해도 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.
알루미늄 파이프의 두께 : 2mm, 3mm, 4mm 모두 온도 상승 특성이 양호하며, 기구적 강도에 문제가 없다면 재료비 측면에서 유리한 2mm 두께를 선택하는 것이 적합하다.
후속연구
향후 고속집전용 판토그래프 시제품의 실 조건에서의 온도 상승 시험을 통하여 본 연구에서 제시된 해석 결과의 타당성 검증 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
판토그래프 상부암 혼성 구조체를 이루는 원통형 알루미늄 파이프에 집전 전류가 흐를 때의 온도 변화 특성을 분석하기 위해 논문에서 사용한 방법은?
본 논문에서는 판토그래프 상부암 혼성 구조체를 이루는 원통형 알루미늄 파이프에 집전 전류가 흐를 때의 온도 변화 특성을 분석하기 위하여 전류에 의한 열원을 가지는 모델의 열해석 방법을 적용하였다. 최근 전류에 의한 열원을 가지는 모델의 열해석에 있어서는 Analytic method와 FEM을 결합한 하이브리드법이 가장 많이 사용되고 있는 추세이다[4-6].
국내에서 처음 상용화된 고속 판토그래프는 무엇인가
일반적으로 고속집전 분야에서 고속철도 운영과 및 속도향상을 위하여 필수적으로 요구되는 것은 판토그래프를통한 집전성능의 향상과 판토그래프에 의한 공력소음 저감 기술이며, 이에 대한 원천기술 확보가 국내 철도기술에서는 시급한 실정이다. 국내에서 처음 상용화된 고속 판토그래프(Pantograph)는 경부고속철도가 2004년 개통되면서 수입된 KTX 열차에 탑재된 프랑스페블리(Faiveley)사의 GPU형 판토그래프이다. 그 이후 국내 업체에서는 KTX-산천 열차에 오스트리아 슝크(Schunk)사의 판토그래프를 탑재하려는 시도가 있었으나, 중련 편성 운영 시 뒤 편성의 판토그래프가 집전성능을 확보하지 못하여 최종적으로 프랑스 페블리사의 CX형 판토그래프로 교체하여 납품하는 등 어려움을 겪기도 했다.
GPU형 판토그래프 이후 국내 업체의 탑재 시도는?
국내에서 처음 상용화된 고속 판토그래프(Pantograph)는 경부고속철도가 2004년 개통되면서 수입된 KTX 열차에 탑재된 프랑스페블리(Faiveley)사의 GPU형 판토그래프이다. 그 이후 국내 업체에서는 KTX-산천 열차에 오스트리아 슝크(Schunk)사의 판토그래프를 탑재하려는 시도가 있었으나, 중련 편성 운영 시 뒤 편성의 판토그래프가 집전성능을 확보하지 못하여 최종적으로 프랑스 페블리사의 CX형 판토그래프로 교체하여 납품하는 등 어려움을 겪기도 했다. 이후 국내에서는 시속 300km/h급 고속철도용 판토그래프를 개발하여 단일 편성으로 운영되는 고속철도에 적용하여 실용화시키기 위한 지속적인 노력이 있었다. 고속에서 중련 운전이 가능한 판토그래프는 세계적으로 철도 선진국만이 관련 기술을 확보하고 있으며, 프랑스 페블리사의 판토그래프가 거의 독점적으로 고속용 판토그래프를 국내에 납품하는 상황이기 때문에 페블리사의 가격 정책에 따라서 판토그래프의 가격이 결정되는 등 국내 철도운영사는 유지보수에 어려움을 겪고 있었다.
참고문헌 (9)
Korea Railroad Research Institute (2015) Development of a low noise pantograph with light weight, The R&D project report of Korea Railroad Research Institute.
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C.B. Park (2014) Thermal analysis of IPMSM with water cooling jacket for railway vehicles, Journal of Electrical Engineering & Technology, 9(3), pp. 882-887.
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S. Seghir-Ouali, D. Saury, S. Harmand, O. Phillipart, et al. (2006) Convective heat transfer inside a rotating cylinder with an axial air flow, International Journal of Thermal Sciences, 45(12), pp.1166-1178.
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