전기펌프시스템은 기존 터보펌프의 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 갖고 있어 저가 소형 위성 발사체의 차세대 추진기관으로써 최근 주목받고 있다. 그래서 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 영구자석 동기모터(PMSM)의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능을 가지는 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하였다. 요구되는 전기모터의 성능을 만족시키기 위해서 전자기장해석을 수행하여 모터의 전체 외경과 회전자의 내경을 결정하였으며, 회전자는 4,000 가우스의 Sm2Co17 원통형 자석을 이용하여 Inconel 718 재료의 캔으로 체결하였다. 또한, 엔진구동시 모터 운전 영역에서의 회전 동역학적 안정성을 검증하기 위해서 회전체 동역학해석을 수행하였으며, Campbell 선도를 통하여 설계한 모터의 단품운전 뿐만 아니라 성능확인을 위한 Dynamo meter 운전 시에도 공진현상이 발생하지 않음을 해석적으로 확인할 수 있었다.
전기펌프시스템은 기존 터보펌프의 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 갖고 있어 저가 소형 위성 발사체의 차세대 추진기관으로써 최근 주목받고 있다. 그래서 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 영구자석 동기모터(PMSM)의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능을 가지는 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하였다. 요구되는 전기모터의 성능을 만족시키기 위해서 전자기장해석을 수행하여 모터의 전체 외경과 회전자의 내경을 결정하였으며, 회전자는 4,000 가우스의 Sm2Co17 원통형 자석을 이용하여 Inconel 718 재료의 캔으로 체결하였다. 또한, 엔진구동시 모터 운전 영역에서의 회전 동역학적 안정성을 검증하기 위해서 회전체 동역학해석을 수행하였으며, Campbell 선도를 통하여 설계한 모터의 단품운전 뿐만 아니라 성능확인을 위한 Dynamo meter 운전 시에도 공진현상이 발생하지 않음을 해석적으로 확인할 수 있었다.
Electric pump system is new technology for next generation propulsion unit. The system has simple structure which dose not need gas generator, injector and turbine and might better pump for low cost and low payload rocket. Therefore, this paper suggests conceptual design of electric-pump Permanent-M...
Electric pump system is new technology for next generation propulsion unit. The system has simple structure which dose not need gas generator, injector and turbine and might better pump for low cost and low payload rocket. Therefore, this paper suggests conceptual design of electric-pump Permanent-Magnet Synchronous Motor (PMSM) which has 50 kW & 50,000 RPM for rocket. To satisfy the system's requirement, electromagnetic analysis is conducted for suitable inner and outer diameter of stator and rotor which uses 4000 Gauss cylinder magnet and Inconel 718 can to fix whole rotor. Futhermore, to confirm rotational vibration, rotordynamics analysis is conducted. By this analysis, Campbell diagram is printed. From the diagram, natural frequency could be determined for the only motor and dynamo meter test bench.
Electric pump system is new technology for next generation propulsion unit. The system has simple structure which dose not need gas generator, injector and turbine and might better pump for low cost and low payload rocket. Therefore, this paper suggests conceptual design of electric-pump Permanent-Magnet Synchronous Motor (PMSM) which has 50 kW & 50,000 RPM for rocket. To satisfy the system's requirement, electromagnetic analysis is conducted for suitable inner and outer diameter of stator and rotor which uses 4000 Gauss cylinder magnet and Inconel 718 can to fix whole rotor. Futhermore, to confirm rotational vibration, rotordynamics analysis is conducted. By this analysis, Campbell diagram is printed. From the diagram, natural frequency could be determined for the only motor and dynamo meter test bench.
하지만 이러한 단점은 최근 전기자동차 기술 발전 등에 힘입어 요구되는 모터 및 배터리를 수급이 가능해져 극복가능 할 것으로 본다. 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 전기모터의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 Inconel 718과 Sm2Co17을 사용하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능의 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하고자 한다. 이를 위해서 요구되는 전기모터의 성능을 예측하기 위해서 전자기장해석을 수행하고, 엔진 구동시 모터 운전 영역에서 회전 동역학적 안정성 검증을 위해 회전체 동역학해석을 수행하였다.
본 논문에서는 지금까지 로켓의 효율적인 추진력을 얻기 위한 장치로서 사용되는 터보펌프를 전기펌프 모터로 대체하기 위한 타당성을 파악하고자, 50 kW, 50,000 RPM 성능을 가지는 전기펌프 모터의 개념 설계를 수행하였다. 그 첫 번째 단계에서는 전자기장 해석을 통하여 전기펌프 모터의 요구 성능의 만족여부를 확인하는 것이었다.
제안 방법
본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 전기모터의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 Inconel 718과 Sm2Co17을 사용하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능의 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하고자 한다. 이를 위해서 요구되는 전기모터의 성능을 예측하기 위해서 전자기장해석을 수행하고, 엔진 구동시 모터 운전 영역에서 회전 동역학적 안정성 검증을 위해 회전체 동역학해석을 수행하였다.
대상 데이터
하지만 Case 3에서 340 V와 얼마 차이가 나지 않는 유기전압과 권선 전압이 발생하므로, 설계마진을 두어 Case 1과 Case 2가 적합하다고 볼 수 있다. 특히, Case 2의 경우는 요구성능 이상의 토크 9.776 Nm, 제한된 340 V 입력전압보다 낮은 유기전압 292 V, 권선 전압 288 V가 예측되고, Table 5에서 볼 수 있듯이, Case 3보다 적은 질량을 가지는 Case 2 형상을 50 kW 급 전기펌프 사이클 엔진의 영구자석 동기모터로 선정하였다.
데이터처리
선정된 베어링과 커플링의 물성치는 Table 6과 같다. 이를 활용하여 ANSYS WORKBENCH을 이용한 회전체 동역학 해석을 수행하여 공진 안정성 유효성 확인하였다. Fig.
이론/모형
단점으로는 원통형자석을 4,000 Gauss로 착자할 때 용량이 큰 착자기나, 자기장을 효율적으로 발생시킬 수 있는 요크가 필요하다. 그리고 회전자 자석을 감싸는 캔과 고정자로는 Inconel 718이 사용된다. Inconel은 steel, SUS와 달리 철손이 적으므로 모터 효율을 높이는데 효과적이다.
성능/효과
다음 단계에서는 결정된 설계형상을 가지는 모터의 운전영역 내에서 회전 동역학적 안정성 유효성 확인이었다. Campbell 선도를 통해 50,000 RPM 이내에서 전기펌프 모터단독 운전시 회전 동역학적 안정성뿐만 아니라, 전기펌프 모터의 성능 검증을 위한 Dynamo meter test에서도 공진현상이 일어나지 않음을 Table 7과같이 확인할 수 있었다.
향후에는 본 논문에서의 해석결과를 토대로 실제 50KW급 전기펌프 사이클 엔진용 영구자석 동기모터와 Dynamo meter test bench를 제작하여 개념 설계단계에서 예측한 요구 성능을 실험적으로 확인할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기펌프시스템의 특징은 무엇인가?
전기펌프시스템은 기존 터보펌프의 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 갖고 있어 저가 소형 위성 발사체의 차세대 추진기관으로써 최근 주목받고 있다. 그래서 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 영구자석 동기모터(PMSM)의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능을 가지는 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하였다.
전기펌프 시스템의 장점은 무엇인가?
2에서 볼 수 있듯이 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 가진다. 전기펌프 시스템은 모터와 배터리의 성능 및 용량에 따라 기존 엔진 이상의 압력비를 구현할 수 있으며, 유량이나 당량비를 전기모터의 전자적 회전수로제어하여 훨씬 용이한 추력 조절이 가능하다. 또 다른 장점은 개발과정의 수월성이다.
전기펌프 시스템을 개발하기 쉬운 이유는 무엇인가?
또 다른 장점은 개발과정의 수월성이다. 액체로켓 엔진은 추진제 유량, 혼합비, 시동 순서 등의 정밀한 보정이 필요한 반면, 전기펌프 사이클 엔진은 모터의 전기적 제어만으로 추력조절이 가능하므로 엔진 개발 및 시험 과정이 간편하고 신속하다. 따라서 복잡한 배관계가 요구되는 가스발생기 사이클 엔진 및 다단연소 사이클 엔진에 비하여 매우 간결한 구성을 보인다. Fig.
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NASA, Inside the LEO Doghouse: The Art of Expander Cycle Engines, from https://blogs.nasa.gov/J2X/tag/rl10-rocket-engine/
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