초록

도심내의 교통수단으로 주로 쓰이게 될 중저속용 자기부상열차 추진에는 선형 유도 전동기, 부상에는 직류전자석을 이용하는 방식이 주로 쓰이고 있으나 직류전자석을 소비전력량이 크고 전자석 자중에 대한 부상력비가 적으므로 영구 자석을 이용한 전자석을 부상 시스템에 도입함으로 시스템의 효율이 좋은 새로운 시스템을 개발하여 우리 고유 모델의 자기부상열차 개발에 기여할 수 있게 하였다. 또한 요소 부품 개발로 Gap-Sensor를 설계, 제작함으로 자기부상열차 개발에 필수적인 Gap-Sensor를 국산화한 기본 틀을 마련하였다.

Abstract ▼

In this technical report, the first year’s results of the project titled “A study on development of new magnetic levitation module in Korea” is presented.
The research has been sponsored by the Korea Ministry of Science and Technologies and performed by the Korea Electrotechnology Research Instit

In this technical report, the first year’s results of the project titled “A study on development of new magnetic levitation module in Korea” is presented.
The research has been sponsored by the Korea Ministry of Science and Technologies and performed by the Korea Electrotechnology Research Institute and the Institute $ F\"{u}r$ Electrische Manschinen, Antrebe und Bahnen, in Braunschweig University, Germany.
The scopes of this project are a development of controlled permanent magnet, a design of linear synchronous transverse flux motor, a development of power supply system, controller and gap sensor.

목차 Contents

• Ⅰ. 서론...33
• Ⅱ. 자기부상열차 개발을 위한 기본사항...37
• 제1장 대중교통시스템의 일반적 특징...37
• 제2장 자기부상 시스템의 설계...38
• 제1절 부상시스템의 설계 순서...40
• 제2절 부상시스템의 분석과 Simulation 요소...41
• 제3장 부상시스템의 Mechanical 및 Electrical 모델 해석...43
• 제1절 Differential Equation에 의한 해석...43
• 1.1 Mechanical 측면...43
• 1.2 Electrical 측면...44
• 제2절 미분방정식의 선형화와 제어기 설계...45
• 제3절 부상열차의 기계적 모델해석...50
• 3.1 가속도를 고려한 경우...51
• 3.2 Rolling pitch를 고려한 경우...52
• 제4장 영구자석...54
• 제1절 영구자석 해석...54
• 제2절 영구자석에 의한 Repulsive levitation...59
• 2.1 자계...60
• 2.2 자계 합성...63
• 2.3 Repulsive force 계산...63
• 2.4 영구자석의 요소별 변화에 따른 특성...64
• 제3절 영구자석에 의한 Attractive levitation...66
• 제5장 초전도 물질의 부상...70
• 제6장 Controlled permanent magnet...72
• 제7장 EMS 부상방식...77
• 제8장 각 부상방식의 특징...80
• 제1절 반발식 영구자석...80
• 제2절 상전도 흡인식...80
• 제3절 EDS 방식...80
• 제4절 영구작석과 Control coil이 결합한 상전도 흡인식...81
• 4.1 NMAG...82
• 4.2 SMAG...84
• 4.3 KMAG1...86
• 4.4 KMAG2...87
• 제5절 Guide-way에 의한 차량 형태...88
• 참고문헌...90
• Ⅲ. 전자기 시스템...91
• 제1장 부상용 전자석의 설계 및 제작...91
• 제1절 NMAG 최적화 설계...91
• 1.1 해석조건...91
• 1.2 영구자석 높이 결정...94
• 1.3 Bottom plate 높이 결정...98
• 1.4 hpol 폭의 결정...103
• 1.5 pof＝hpolu/hpol의 결정...109
• 1.6 초기부상시 제어전류 및 소비전력...115
• 1.7 Rail 형상 변형...118
• 1.8 전자석 철심제거...121
• 1.9 Pole shoe의 설계...124
• 1.10 동(cu)코일과 알루미늄(AI)코일의 특성비교...128
• 1.11 Dynamic simulation...129
• 제2절 제작 NMAG의 자기등가회로...136
• 2.1 Configuration...137
• 2.2 Equivalent circuit...138
• 제3절 설계 NMAG의 특성해석...143
• 3.1 제어전류 영인 경우...144
• 3.2 제어전류 인가된 경우...147
• 제4절 NMAG 제작...154
• 4.1 영구자석의 조립...154
• 4.2 영구자석 재료의 선정...159
• 4.3 Coil design...161
• 4.4 전자석 코아 및 Rail 재질의 선정...164
• 4.5 NMAG core 가공시 주의점...165
• 제5절 전자석 시제품 제작 및 평가...166
• 5.1 전자석 제작...166
• 5.2 Coil 제작...171
• 5.3 Single magnet 성능 측정장치...175
• 5.4 부상력 측정 및 평가...176
• 제2장 추진 system 설계...187
• 제1절 Linear drives의 설계기준...187
• 1.1 PCU의 용량계산...188
• 1.2 Short stator와 long stator의 비교...188
• 제2절 Linear drives 원리...192
• 2.1 Linear DC Motor...192
• 2.2 Short stator linear synchronous motor...195
• 2.3 Linear induction motor...196
• 2.4 Linear reluctance motor의 원리...201
• 제3절 Linear reluctance motor 해석...212
• 제4절 Linear reluctance motor 설계...215
• 4.1 bn,bz의 선정...216
• 4.2 Coil 면적(hb,hc)결정...220
• 4.3 Pole높이(Hi)결정...223
• 4.4 Stator 위치에 따른 추력 및 자속밀도...225
• 4.5 Stator 전류에 따른 특성...226
• 제5절 추진 System 설계 검토...229
• 제3장 부상모듈 설계 및 제작...231
• 참고문헌...238
• Ⅳ. 전력변환시스템...239
• 제1장 기본설계...239
• 제2장 부상시스템용 전력변환장치 설계 및 특성...241
• 제1절 전력변환장치의 기본특성...241
• 1.1 선형 증폭기...241
• 1.2 주회로 구성...243
• 1.3 4-Q쵸퍼 해석...245
• 1.4 스위칭 소자별 특성...249
• 1.5 구동회로 설계...250
• 1.6 회로의 절연방식...252
• 1.7 스너버 설계...258
• 제2절 N-MAG 시스템용 쵸퍼 설계...260
• 2.1 N-MAG의 기본사양...260
• 2.2 주회로 설계...262
• 2.3 동작원리 및 설계특성...263
• 2.4 구동회로 설계...270
• 2.5 구동회로용 Power Transmission 설계...277
• 2.6 제어회로 설계...284
• 제3절 부상시스템의 전원설계...287
• 3.1 전원구성...287
• 3.2 용량선정 및 구성...290
• 제4절 신뢰도 향상을 위한 신기술 적용(Ⅰ):광소자...294
• 4.1 개요...294
• 4.2 Versatile fiver optic 결선의 특성...294
• 4.3 Photo Interrupter Link 설계특성...295
• 4.4 Versatile Link Transmitter 특성...297
• 4.5 Versatile Link Receiver 특성...299
• 4.6 Versatile Link Fiber Optic Connector 특성...299
• 제5절 신뢰도 향상을 위한 신기술 적용(Ⅱ): PAL회로...301
• 5.1 필요성 및 설계개념...301
• 5.2 PAL의 기본 특성...302
• 5.3 주변소자 특성...305
• 5.4 PAL을 이용한 제어회로 설계...312
• 제3장 전류제어기의 설계...328
• 제1절 전류제어기의 기본 특성...328
• 제2절 하드웨어상의 전류제어기 특성...332
• 제3절 제어기 설계 및 특성...336
• 제4장 실험결과...339
• 제5장 결 론...349
• 참고문헌...351
• Ⅴ. 부상제어...353
• 제1장 NMAG 시스템 모델링...356
• 제2장 부상제어기 구조...365
• 제1절 전류제어기...365
• 제2절 전류제어기+PID 제어기...366
• 제3장 부상제어 시뮬레이션...370
• 제1절 초기하강...373
• 제2절 레일 외란...382
• 제3절 힘 외란...385
• 제4장 수직 2차 서스펜션 시스템을 고려한 부상...389
• 제5장 결 론...412
• 참고문헌...413
• Ⅵ. Gap sensor 설계 및 제작...415
• 제1장 Gap sensor 원리...415
• 제1절 Low frequency gap sensor...415
• 제2절 High frequency gap sensor...417
• 제2장 고주파에 의한 Gap 측정...419
• 제1절 등가회로 및 인덕턴스 계산...419
• 제2절 Sensor coil의 구조...422
• 제3절 Sensor coil의 비선형 보정...424
• 제4절 인덕턴스의 측정...426
• 4.1 위상변화...426
• 4.2 인가 전압측정...427
• 제3장 측정회로의 설계 및 제작...430
• 제4장 실험 및 결과 평가...439
• 참고문헌...449
• Ⅶ. 결 론...451
• 부록 : IEM 보고서...453