항공기에서 사용되는 연료펌프를 민군겸용구성품개발사업을 통하여 국내 최초로, 국내 독자기술로 개발하였다. 연료승압펌프의 모터 조립체에 있어서 모터는 효율성, 내구성, 내폭발성 등의 관점에서 DC브러시 모터보다 특성이 우수한 BLDC 형식을 채택하였다. Maxwell 방정식과 환경조건을 활용하고 자속밀도를 통하여 전자기해석을 수행하였다. 설계를 검증하기 위하여 유한요소법을 이용하여 부하에 따른 모터성능을 해석하였고 모터 드라이브와 EMI 필터를 설계하여 모터 조립체가 개발되었다. 연료승압펌프 모터 조립체의 성능시험 결과는 해석결과와 매우 일치하는 것으로 확인되었다.
항공기에서 사용되는 연료펌프를 민군겸용구성품개발사업을 통하여 국내 최초로, 국내 독자기술로 개발하였다. 연료승압펌프의 모터 조립체에 있어서 모터는 효율성, 내구성, 내폭발성 등의 관점에서 DC 브러시 모터보다 특성이 우수한 BLDC 형식을 채택하였다. Maxwell 방정식과 환경조건을 활용하고 자속밀도를 통하여 전자기해석을 수행하였다. 설계를 검증하기 위하여 유한요소법을 이용하여 부하에 따른 모터성능을 해석하였고 모터 드라이브와 EMI 필터를 설계하여 모터 조립체가 개발되었다. 연료승압펌프 모터 조립체의 성능시험 결과는 해석결과와 매우 일치하는 것으로 확인되었다.
The fuel pump, which is used for an aircraft, was first developed in Korea through the Civil-Military Dual Components Development Program. The BLDC motor type, which is superior to the DC brush motor when considering efficiency, endurance, and explosive environmental characteristics, was applied to ...
The fuel pump, which is used for an aircraft, was first developed in Korea through the Civil-Military Dual Components Development Program. The BLDC motor type, which is superior to the DC brush motor when considering efficiency, endurance, and explosive environmental characteristics, was applied to the fuel pump given its capacity and operating condition. The magnetic flux of the permanent magnet was analyzed based on the magnet flux density equation, using the Maxwell equation and the environmental condition. The motor performance, according to the load, was analyzed using the finite element method in order to design validation. The motor assembly was developed by designing the motor drive and the EMI filters. The performance test results of the motor assembly for the fuel boost pump were consistent with the analysis.
The fuel pump, which is used for an aircraft, was first developed in Korea through the Civil-Military Dual Components Development Program. The BLDC motor type, which is superior to the DC brush motor when considering efficiency, endurance, and explosive environmental characteristics, was applied to the fuel pump given its capacity and operating condition. The magnetic flux of the permanent magnet was analyzed based on the magnet flux density equation, using the Maxwell equation and the environmental condition. The motor performance, according to the load, was analyzed using the finite element method in order to design validation. The motor assembly was developed by designing the motor drive and the EMI filters. The performance test results of the motor assembly for the fuel boost pump were consistent with the analysis.
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문제 정의
본 설계에서 회전자 극수와 고정자 슬롯수가 4극, 12슬롯인 연료펌프의 요구 사양의 출력과 회전속도 그리고 요구 사이즈를 만족하기 위한 결과이다. 일반적 으로 극수와 슬롯수의 결정은 영구자석 재질과 Grade, 회전자 속도, Cogging torque, Manufacturing cost, 모터형태, 회전자와 자석의 기계적 조립, 코어형태/권선방식과 관계있다.
제안 방법
영구자석의 자화는 반경방향과 직경방향이 있으며, 직경방향이 반경방향에 비하여 자속밀도의 세기가 크다. 따라서 본 설계에서는 직경방향에 관련된 자속밀도 특성식을 이용하여 영구자석의 크기를 고려한 해석을 수행하였다.
06(T)이다. 따라서 영구자석의 자화방향과 크기를 고려하여 자속밀도를 해석한다.
요구조건의 출력과 회전속도 그리고 요구되는 크기를 만족하기 위해서 회전자 극수와 고정자 슬롯수가 4극, 12슬롯으로 결정하였다. 또한, 영구자석 두께에 대한 전류밀도를 만족하는 코일 턴 수를 변화시키는 과정을 반복하였으며, 설계된 결과로부터 특성해석을 수행하였다.
연료승압펌프는 대체로 임펠러 조립체, 모터 조립체, 상부몸체 및 하부몸체 조립체 등으로 구성된다. 본 연구는 국내 최초로 독자기술로 개발된 항공기용 민군겸 용핵심구성품의 하나인 연료승압펌프의 모터 조립체에 대하여 설계 과정 및 결과, 이에 대한 통합 결과, 그리고 성능해석 결과에 대한 일련의 과정을 다루고 있다.
모터 출력은 공극에서의 자속밀도와 정격속도에서의 역기전력(counter electromotive force)에 상관된다. 본 연구에서는 Matlab을 이용하여 기본 설계 변수를 도출 한 후 유한요소해석 프로그램인 Maxwell을 이용하여 재질 정보에 따른 포화 및 특성 결과의 타당성을 검토한다.
DC모터가 AC모터보다 소용량에서 효율이 우수하며 BLDC 모터가 내구성이나 내폭발환경에 우수한 특성을 보인다. 본 연구에서는 연료펌프의 용량 및 사용 환경을 고려하여 효율, 내구성, 내폭발성 특성이 우수한 BLDC 형식의 모터가 적용되었다.
항공기용 연료승압펌프의 모터 조립부를 개발하기 위하여 재질의 특성 등을 고려하여 BLDC 모터의 재질을 결정하였으며, 설계요구조건을 만족하도록 설계하였다. 설계의 타당성을 확인하기 위하여 유한요소해석을 이용하여 부하에 따른 특성을 해석하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 형상 설계를 수행하였으며 성능시험 결과는 해석 결과와 매우 일치하였다.
PCB(Process Control Block)는 기능에 따라서 EMC Board, Logic Board, Drive Board, Sensor Board의 4층으로 구성된다. 연료승압펌프 구동을 위한 모터 드라이버에는 아래 표와 같이 요구된 저온 조건을 만족하는 소자들을 적용하였다.
연료승압펌프는 수치해석 결과 Table 2와 같이 축동력 및 정격속도에 대한 설계요구조건이 결정되었으며, 이 조건을 만족하는 모터 조립체에 대한 성능 설계 및 해석을 수행하였다.
영구자석에 의한 공극에서의 자속밀도를 산출하기 위한 해석적 모델을 Fig. 1과 같이 제시하고 이로부터 전자기 전달관계 이론에 의해 영구자석 표면과 공극에서의 자속밀도를 유도한다.
일반적으로 극수와 슬롯수의 결정은 영구자석 재질과 Grade, 회전자 속도, Cogging torque, Manufacturing cost, 모터형태, 회전자와 자석의 기계적 조립, 코어형태/권선방식과 관계있다. 요구조건의 출력과 회전속도 그리고 요구되는 크기를 만족하기 위해서 회전자 극수와 고정자 슬롯수가 4극, 12슬롯으로 결정하였다. 또한, 영구자석 두께에 대한 전류밀도를 만족하는 코일 턴 수를 변화시키는 과정을 반복하였으며, 설계된 결과로부터 특성해석을 수행하였다.
설계 파라미터로부터 역기전력 및 공극 자속밀도를 산정하고 전자기 전달관계를 이용한 전자기 해석법으로부터 초기 모델의 외형 및 치수를 결정한다. 이렇게 설계된 초기모델은 Maxwell 프로그램을 사용하여, 고정자의 치 및 요크에서의 포화여부를 고려한 세부설계 (치의 두께 및 요크의 두께 등)를 수행하여 동특성을 해석하고 조건에 부합되도록 반복한다. 이와 같은 과정을 거쳐서 완성된 모터형상의 설계 모델링은 Fig.
항공기용 연료승압펌프의 모터 조립체에 대하여 설계 과정 및 결과, 이에 대한 통합 결과, 그리고 성능해석 결과에 대한 일련의 과정을 다루었다. 항공기용 연료승압펌프의 모터 조립부를 개발하기 위하여 재질의 특성 등을 고려하여 BLDC 모터의 재질을 결정하였으며, 설계요구조건을 만족하도록 설계하였다. 설계의 타당성을 확인하기 위하여 유한요소해석을 이용하여 부하에 따른 특성을 해석하였다.
항공기용 연료승압펌프의 모터 조립체에 대하여 설계 과정 및 결과, 이에 대한 통합 결과, 그리고 성능해석 결과에 대한 일련의 과정을 다루었다. 항공기용 연료승압펌프의 모터 조립부를 개발하기 위하여 재질의 특성 등을 고려하여 BLDC 모터의 재질을 결정하였으며, 설계요구조건을 만족하도록 설계하였다.
대상 데이터
고정자 재질은 Iron-cobalt-vanadium 연자성체 합금인 Hyperco50로 선정하였다. Hiperco50은 High magnetic saturation(24kG), high permeability, High flux density, low 고정자 loss가 특징이다.
영구자석의 재질은 Sm2Co17로 선택하였는데 이는 사마륨(Samarium)과 코발트(Cobalt)를 주성분으로 자장 금형 내 입자배열 가압 성형 후 소결 생산되는 희토류계 고특성 자석이다. 주재료인 코발트로 인하여 가격이 고가이나 내열성이 우수하며 안정된 자기적 특성으로 고온 및 고자속밀도 부품소재로 사용에 적합하다.
데이터처리
해당 해석 결과의 타당성은 설계 결과를 바탕으로 하여 제작된 모터 시제작품의 최종 성능 결과와의 비교를 통해 확인하였다.
이론/모형
영역에 대한 경계조건과 Maxwell 방정식을 이용하여 자속밀도 특성식 (1)과 (2)로부터 영구자석의 자속 밀도를 해석한다. 해석된 자화로부터 자속밀도를 해석하고 고정자의 권선과 속도를 이용하여 쇄교자속(Flux Linkage)과 역기전력을 해석할 수 있으며, 요구조건을 만족하지 않으면 영구자석의 사이즈를 변경하여 재해석하게 된다.
성능/효과
설계의 타당성을 확인하기 위하여 유한요소해석을 이용하여 부하에 따른 특성을 해석하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 형상 설계를 수행하였으며 성능시험 결과는 해석 결과와 매우 일치하였다.
해석 결과로부터 재질 Hyperco50인 고정자가 포화 됨이 없이 설계되었고 만족할 만한 특성을 보여주고 있다는 것을 알 수 있다.
후속연구
본 연구결과를 토대로 항공기용 BLDC 모터의 설계 기법을 국내 자체적으로 확립할 수 있었고, 향후 개발 되는 항공기용 모터조립체 개발에 관련 기법을 활용할수 있을 것으로 판단된다. 국내 자체 기술로 개발된 모터 조립체의 적용시 해외 업체에 기술을 의존하지 않고 다양한 종류의 항공기용 펌프를 국산화 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 항공기용 펌프의 유지/보수시 관련 기술을 활용 가능할 것으로 판단된다.
국내 자체 기술로 개발된 모터 조립체의 적용시 해외 업체에 기술을 의존하지 않고 다양한 종류의 항공기용 펌프를 국산화 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 항공기용 펌프의 유지/보수시 관련 기술을 활용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구결과를 토대로 항공기용 BLDC 모터의 설계 기법을 국내 자체적으로 확립할 수 있었고, 향후 개발 되는 항공기용 모터조립체 개발에 관련 기법을 활용할수 있을 것으로 판단된다. 국내 자체 기술로 개발된 모터 조립체의 적용시 해외 업체에 기술을 의존하지 않고 다양한 종류의 항공기용 펌프를 국산화 할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
항공기용 연료펌프를 수행하는 기능에 따라 구분하시오
항공기용 연료펌프는 연료계통의 주요 구성품의 하나며, 수행하는 기능에 따라 연료탱크 내부의 연료를 엔진계통에 일정한 압력으로 공급하는 연료승압펌프와 연료탱크 사이에서 연료를 이송하는 연료이송펌프로 구분된다. 연료승압펌프는 연료탱크 내에 장착되어 요구되는 모든 비행조건에서도 엔진계통에 지속적으로 일정한 량의 연료를 공급하는 기능을 담당한다[1].
연료승압펌프의 구성 요소는 무엇인가
연료승압펌프는 대체로 임펠러 조립체, 모터 조립체, 상부몸체 및 하부몸체 조립체 등으로 구성된다. 본 연구는 국내 최초로 독자기술로 개발된 항공기용 민군겸 용핵심구성품의 하나인 연료승압펌프의 모터 조립체에 대하여 설계 과정 및 결과, 이에 대한 통합 결과, 그리고 성능해석 결과에 대한 일련의 과정을 다루고 있다.
항공기용 연료펌프 중 연료승압펌프는 어떠한 기능을 담당하는가
항공기용 연료펌프는 연료계통의 주요 구성품의 하나며, 수행하는 기능에 따라 연료탱크 내부의 연료를 엔진계통에 일정한 압력으로 공급하는 연료승압펌프와 연료탱크 사이에서 연료를 이송하는 연료이송펌프로 구분된다. 연료승압펌프는 연료탱크 내에 장착되어 요구되는 모든 비행조건에서도 엔진계통에 지속적으로 일정한 량의 연료를 공급하는 기능을 담당한다[1].
참고문헌 (8)
Jung-hoon Lee and In-hee Hwang, "Design and Analysis of the Fuel Boost Pump Motor Assembly for the Rotorcraft," Korean Society for Aeronautical & Space Sciences Conference, November 2010.
Jung-hoon Lee, Sung-chan Kim and Hyun-gi Kim, "Preliminary Design of Helicopter Fuel Tank," Journal of Aerospace System Engineering, vol. 2, No. 2, pp. 14-19, June 2008.
Jung-hoon Lee and Joon-tae Kim, "Design and Analysis of Fuel Boost Pump for Aircraft," Journal of Aerospace System Engineering, vol. 6, No. 4, pp. 18-23, December 2012.
Jung-hoon Lee and Jang-Won Park, "Safety Assessment Analysis of the Rotorcraft Fuel Pumps," Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, vol. 21, No. 2, pp. 21-25, June 2013.
Jung-hoon Lee et al., "Research & Development Report for Trade-off Study for Fuel Pumps," R&D Report KARI, pp. 23-24, 2007.
G. Pavesi, 2006, "Impeller Volute and Diffuser Interaction," Design and Analysis of High Speed Pumps, RTO Educational Notes.
Jung-hoon Lee et al., "Research & Development Report for Detail Design and Analysis for Fuel Pumps," R&D Report KARI, pp. 83-94, 2008.
Jung-hoon Lee et al., "Research & Development Report for Performance Analysis for Fuel Pumps," R&D Report KARI, pp. 1-6, 2008.
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