초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
○ 7톤급 액체로켓엔진 전기펌프용 모터/배터리/제어기의 설계/제작/성능시험을 통한 전기펌프 시스템 탐색 개발을 목표로 하되, 연구기간과 한정된 예산으로 인하여 Rutherford engine(Rocket Lab) 동급이상인 출력 50 kW, 최대 회전수 50,000rpm, 배터리 600초 이상, 모터수명 6,000초, 총 중량 200kg의 전기펌프 시스템을 개발하고자함. (연구중 성능을 40 kW, 40,000 RPM으로 변경 협의)
○ 위의 성능을 바탕으로 1차년도 – 전기모터를 제작 및 단독

□ 연구의 목적 및 내용
○ 7톤급 액체로켓엔진 전기펌프용 모터/배터리/제어기의 설계/제작/성능시험을 통한 전기펌프 시스템 탐색 개발을 목표로 하되, 연구기간과 한정된 예산으로 인하여 Rutherford engine(Rocket Lab) 동급이상인 출력 50 kW, 최대 회전수 50,000rpm, 배터리 600초 이상, 모터수명 6,000초, 총 중량 200kg의 전기펌프 시스템을 개발하고자함. (연구중 성능을 40 kW, 40,000 RPM으로 변경 협의)
○ 위의 성능을 바탕으로 1차년도 – 전기모터를 제작 및 단독 성능 실험, 2차년도 – 제어장치와 배터리를 결합한 전기펌프 시스템의 성능 검증 진행.
○ 전기펌프 시스템 액체로켓에 적용하여 기존 turbopump를 사용하는 액체 로켓에 비해 간결한 사이클, 구조를 가짐으로써 경량화와 추력 조절이 용이함.
○ 전기펌프 시스템의 기초인 전기모터, 제어장치, 배터리를 개발하여 액체추진로켓의 turbopump 대체 가능성을 확인하여 경제성 있는 한국형발사체 독자개발에 기여함.

□ 연구개발성과
○ 외부 고정자(와인딩 코일), 내부 회전자(영구자석)을 이용한 영구자석 동기화 모터(PMSM motor) 타입으로 제작. 고정자 재질은 Inconel 718로 전기적 손실이 적고 열팽창 계수가 낮으며, 영구자석은 Sm2Co17로 온도 상승에 따른 감자율이 낮아 고속 회전시 발생하는 열에 모터형상과 성능 유지에 적합함.
○ 제어기는 시중에 판매되고 있는 야스카와 인버터 A1000 (YASKAWA invertor A1000)가 목표 성능 시스템 가동에 충분하다 판단하여 구매, 적용함.
○ 배터리는 16 kW Li-ion 4팩을 직렬 연결하여 출력 에너지를 맞추었으나, 순간적으로 내보낼 수 있는 전기 에너지의양(C-rate)이 모터와 맞지 않아 요구 성능에 맞추지 못하였음. Li-Polymer 타입의 배터리를 이용하면 요구 성능에 맞는 배터리를 제작 가능 할 것이라 판단함.
○ 전기모터 40kg, 배터리 100kg, 제어기 50kg, 합계 중량 190kg으로 목표 중량 200kg 이내임.
○ 40 kW, 40,000 RPM 의 성능 확인. 하지만 300초 작동 후 베어링 파손으로 인하여 모터의 600초 작동 시간과 6,000초 수명에는 도달하지 못함.
○ 목표 작동 시간과 수명에 도달하지 못한 이유는 전기모터 양쪽에 있는 두베어링의 회전축이 맞지 않아 베어링에 심각한 열 발생과 손상이 발생함.
○ 또한 베어링에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시키지 못하고 있음
○ 현재 100um의 회전 축 차이를 2um로 바로 잡고, 베어링 냉각시스템을 구축한다면 목표 작동시간과 수명에 도달 가능함.

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
○ 본 연구를 통해 전기펌프 시스템이 개발된다면 우주 발사체의 경량화, 효과적인 출력 제어, 부가적인 추진제 소모를 줄일 수 있으므로 발사체의 임무수행 능력 향상에 도움이 될 것이라 생각함.
○ 소형 로켓에 적합한 구조로써, 적은 payload를 가지는 민간 우주 발사체로의 적용 가능함. 또한 항공기 엔진, 전기 자동차, 냉동장치 등 다양한 산업에도 활용될 것이라 생각됨.
○ 한국형발사체 독자 개발에 기여함과 동시에 전기모터를 적용한 전기펌프 시스템의 개발과 이를 적용한 소형로켓 엔진의 선도자가 될 수 있을 것이라 판단 됨.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 9
• 가. 50 kW 50,000 RPM 전기펌프 시스템 모터 전자기장 설계 및 해석 ... 9
• 나. 50,000RPM 영역에서 전기펌프 시스템 모터의 공진 안정성 해석 ... 17
• 다. 전기펌프 시스템 구성 ... 26
• 라. 전기펌프 시스템 성능 시험 ... 78
• 마. 성능 시험 결과 ... 83
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 92
• 가. 목표 ... 92
• 나. 목표 달성여부 ... 93
• 다. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 94
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 101
• 붙임. 참고문헌 ... 121
• 끝페이지 ... 124