보고서 정보
주관연구기관 |
조선대학교 Chosun University |
연구책임자 |
김용재
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2020-02 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200006708 |
과제고유번호 |
1415162658 |
사업명 |
자동차산업핵심기술개발(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-08-27
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키워드 |
마그네틱 기어.손실 분석.초고속.해석 정확도.성능평가시스템.
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초록
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3. 개발결과 요약
□ 최종목표
초고속 마그네틱 기어의 고 신뢰성 시뮬레이션 설계기술 및 안정적 구동이 가능한 구조설계기술 확보와 국내 최초 고속 마그네틱 기어 전용 성능 평가 장비 구성
□ 개발내용 및 결과(개발기술, 제품에 대한 기술적인 원리, 연구내용 등 설명)
- 단일 모터 대비 기어 결합형 과급기가 경쟁력 있음을 도출한 후, 마그네틱 기어의 기초분석부터 재질, 형상, 손실, 구조, 제작성을 검토하고 해석 신뢰성 확보 및 성능 평가를 수행하여 고속 구동이 가능한 마그네틱 기어의 고 신뢰성 설계기술
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
초고속 마그네틱 기어의 고 신뢰성 시뮬레이션 설계기술 및 안정적 구동이 가능한 구조설계기술 확보와 국내 최초 고속 마그네틱 기어 전용 성능 평가 장비 구성
□ 개발내용 및 결과(개발기술, 제품에 대한 기술적인 원리, 연구내용 등 설명)
- 단일 모터 대비 기어 결합형 과급기가 경쟁력 있음을 도출한 후, 마그네틱 기어의 기초분석부터 재질, 형상, 손실, 구조, 제작성을 검토하고 해석 신뢰성 확보 및 성능 평가를 수행하여 고속 구동이 가능한 마그네틱 기어의 고 신뢰성 설계기술을 확보하였음
- 1차년도
- 12/48V 단일 구동용 140,000rpm, 210,000rpm의 전동기(이하 초고속 전동기) 설계, 기어 결합용 17,500rpm 전동기(이하 고속 전동기) 설계 후 초고속 전동기와의 손실, 발열, 효율, 부피, 제어 시스템 구성 등의 특성 비교
- 48V 전원 사용은 12V대비 인버터 사이즈 90% 저감, 전동기 사이즈 33% 저감의 성과를 나타냄
- 초고속 전동기는 고속 전동기 대비 아래와 같은 문제점이 확인됨:
▸ 영구자석 비산 방지책인 Sleeve 적용이 필수
▸ Sleeve손실로 인한 최대5% 효율 감소
▸ 높은 손실(코일동손, 철손)로 인한 코일 내열등급 부적합
▸ 이에 따른 추가적인 냉각장치 필요
▸ 인버터의 높은 스위칭 주파수 및 시간 고조파에 의한 토크리플(70%상승)과 손실(효율 7%감소)의 증가
- 48V 전원을 갖는 기어 결합형 과급기가 전동기 단일로 구동되는 과급기 보다 사이즈 및 효율 면에서 경쟁력 있음을 확인
- 2차년도
- 마그네틱 기어의 설계 및 제작기술 확보를 위해 마그네틱 기어의 기초 전자계 특성분석, 형상, 주변 온도, 가공가능 형상 및 치수 등을 고려한 설계를 수행하였음
- 마그네틱 기어의 핵심 구조물인 폴피스에 대해 배치 개수, 배치 간격, 원주 방향 길이 등은 정형화되어있으나 반경 방향 길이는 그렇지 않아 상세 분석을 수행하였으며, 반경 방향 2mm 전후의 설계가 출력밀도, 손실, 효율 면에서 우수함을 확인함
- 폴피스의 등간격 배치는 기어라는 특성을 나타내기 위해 매우 중요하여 이를 정확히 유지하도록 폴피스 Bridge 형상을 제시하였음. 특성 분석을 통해 Bridge 두께가 마그네틱 기어의 토크 및 효율특성에 반비례함을 확인했으나 제작 가공성을 고려하여 0.5mm로 결정하였음
- 영구자석 길이, 폴피스 길이, 내외측 영구자석의 극수조합, 영구자석의 재질 및 전기강판의 재질 등을 고려하여 토크 및 손실에 대해 최적화 설계를 수행하였으며, 최대토크 1.6Nm의 8:1기어인 140,000rpm 모델과 12:1 기어인 210,000rpm 모델을 도출하였음
- 설계한 모델의 프로토타입 제작을 위해 영구자석 재질에 따른 가공 가능 형상, 전기강판 재질의 수급 여부, 손실을 반영한 설계 마진, 3D 누설자속 분석, 손실에 의한 발열 등을 고려하여 8:1 모델의 NdFeB 모델과 Ferrite 모델의 프로토타입을 제작하였음
- 프로토타입의 형상을 바탕으로 기어가 결합된 과급기의 시스템 사이즈를 산출하였으며, 전동기 단일 구동의 과급기 체적대비 Ferrite 모델은 45%, NdFeB 모델은 65% 개선하였음
- 프로토타입의 성능 평가를 위한 간이 테스트장비를 구축하였으며, 최대토크는 정량적 목표항목을 달성했으나 시뮬레이션의 설계와 10% 오차를 확인했고 속도비는 설계 및 정량적 목표 항목을 만족한 8:1을 확인하였음
- 3차년도
- 마그네틱 기어의 설계기술 구축을 위해 전달 토크 향상, 구조적 강성개선, 시스템 손실 분석, 시뮬레이션 신뢰성 향상 등의 연구 수행
- 2차년도 수행 연구를 바탕으로 NdFeb 모델과 같이 작은 사이즈를 갖고 Ferrite 모델과 같이 높은 효율을 달성하기 위해 Bonded 영구자석 채용을 검토함
- Bonded 영구자석을 사용한 마그네틱 기어의 전달토크 향상을 위해 8:1, 12:1 기어비에 대해 각각 형상최적화, 손실개선 연구를 수행하여 8:1 모델은 Ferrite 대비 32%, NdFeB 대비 56%의 손실 개선을, 12:1 모델은 Ferrite 대비 24%, NdFeB 대비 49%의 손실 개선을 나타냄
- 2차년도의 NdFeB 모델과 Ferrite 모델은 구조적 차이점을 두고 제작됐으며 수차례 시험구동 중 NdFeB 모델의 폴피스 구조물이 파손되어 구조적 강도개선 필요성을 확인하였음. 폴피스 내부 보강재를 제안했으며 마그네틱 기어에 미치는 영향분석, 보강재 적용가능 형상 설계, 하우징 손실 개선설계를 진행하였음.
- 2차년도의 해석오차 데이터를 기반으로 시스템 손실을 분석한 결과 베어링 손실을 고려할 필요성이 확인됐으며 사용되는 베어링에 대한 손실측정 장비를 구성한 결과 5% 이내의 손실 오차율을 확보하였음.
- 해석 정밀도를 향상시키기 위해 Bonded 영구자석 시작품에 대한 표면 가우스를 측정하고 시뮬레이션에 반영했으며, 구조 및 손실을 개선한 8:1, 12:1 기어비의 Bonded 모델에 대해 프로토타입을 제작했음
- 고속 구동이 가능한 마그네틱 기어의 성능평가 시스템을 구성하여 측정했으며 최대토크 및 속도비에 대한 정량적 목표를 달성함은 물론 토크 및 손실에 대해 설계 오차율도 5% 이내로 달성하여 설계 신뢰성을 나타내었음
□ 기술개발 배경(기술개발의 필요성 및 의의를 포함한 연구배경, 개발동기 등)
마그네틱 기어는 기존의 전기기기와는 구동원리부터 특성 및 구조까지 별도의 독자적인 관점에서 접근해야 함에도, 국내의 관련 분야 연구는 선진연구의 답습 및 시뮬레이션에만 의존하는 등 미흡한 실정이다. 또한, 기술 선진사에서도 고속 마그네틱 기어의 관련 연구가 보고되지 않음에 따라, 해당 분야에 대한 기술선점 효과와 함께 국내 최초로 마그네틱 기어 전용 성능 평가 장비를 구비하여 마그네틱 기어 기술추격의 발판을 마련하고자 한다.
□ 핵심개발 기술의 의의(신규개발 여부, 이전 모델의 업그레이드 여부, 개발난이도, 국산화 정도, 해외기술 도입을 통한 개발여부, 기술수출 가능성)
마그네틱 기어의 핵심 기술인 자속 변조기술은 소형 고토크 전동기 및 다운전점 전동기 등의 기반기술로 미래 선진형 특수전동기의 기반이 될 기술로 국내 독자기술이 반드시 필요한 분야이다.
마그네틱 기어는 두 개의 회전자와 하나의 고정자를 갖기 때문에 구성의 난이도 및 복잡도가 높고 기존의 전기기기와는 다른 특성을 갖는다. 국외 선진사에서는 이에 대한 상세 정보를 공개하지 않음에 따라 마그네틱 기어의 제작기술 및 평가기술은 국내 마그네틱 기어의 연구에 반드시 필요한 항목이다.
고속 구동용 마그네틱 기어는 아직 선진사 연구성과에서도 보고된 사례가 없기 때문에 해당 기술에 대한 선점 효과가 있다.
□ 적용 분야
- 초고속 구동이 요구되는 분야(과급기, 압축기, 원심분리기 등)
- 저소음, 저진동 등 높은 감성이 요구되는 동력변환 분야에 적용 (고급세단, 가전 등)
- 높은 토크에서 기어이가 파손되는 기계식 기어와 달리 Slip 현상을 통한 기어 보호가 가능하기 때문에 과부하 발생빈도가 높은 분야에 적용 (풍력발전, 절삭기 등)
(출처 : 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 10
- 목차 ... 13
- 제1장 서론 ... 14
- 제1절 과제의 개요 ... 14
- 제2장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 16
- 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 16
- 제2절 단계 목표 및 평가 방법 ... 16
- 제3절 연차별 개발내용 및 개발 범위 ... 16
- 제4절 수행 결과의 보안등급 ... 18
- 제5절 유형적 발생품 연구시설 연구장비 등 구입 및 관리현황 ... 18
- 제3장 결과 ... 19
- 제1절 연구개발 최종 결과 ... 19
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 19
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 20
- 제2절 연구개발 추진체계 ... 49
- 제3절 고용 창출 효과 ... 49
- 제4절 자체보안관리진단표 ... 49
- 제5절 안전관리 이행 현황 ... 49
- 제4장 사업화 계획 ... 50
- 제1절 시장 현황 및 전망 ... 50
- 제2절 사업화 계획 ... 50
- 제3절 향후 추가 기술 개발 계획 ... 50
- 끝페이지 ... 51
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