2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A023 200km/h급중고속자기부상열차추진용선형유도전동기의설계 Design of the Linear Induction Motor for 200km/h MAGLEV 정재훈 *, 임재원 **, 박도영 **, 최장영 *, 장석명 * Jae-Hoon Jeong *, Jae-Won Lim **, Do-Young Park **, Jang-Young Choi *, Seok-Myeong Jang * Abstract Electric multiple unit operated in local area is mostly consist of moving system on the rail and the traction motor drives the gear and wheel with the mechanical propulsion force. Most of countries are interested in magnetic levitation vehicle for the transportation system on next generation and they have been studying about it continuously. Thus this paper is studied the linear induction motor as the propulsion equipment of magnetic levitation vehicle. In order to design a magnetic levitation train which is driven by single sided linear induction motors(slim), the thrust force characteristics of SLIM have been calculated from the finite elements method and by varying the various design parameters. Keywords : MAGLEV, Linear induction motor, LIM, FEM 초록현재중앙도시의집중화로인하여광역도시간교통수단에대한수요가급증하고있다. 광역도시간교통수단으로는정시성과속도성이좋고수송효율이우수한철도교통이각광받고있으며, 많은철도시스템중친환경적이며미래지향적인자기부상열차시스템이차세대광역철도시스템으로높은평가를받고있다. 자기부상열차의추진에는건설비용이저렴하고무게가가벼운선형유도전동기가많이쓰인다. 현재인천에개발완료된도시형자기부상열차는 100km/h 급선형유도전동기가사용되고있는데, 이열차는중고속열차시스템에사용하기에는한계가있다. 따라서본논문에서는광역도시간열차에쓰일수있는자기부상열차추진용선형유도전동기의특성해석및설계에대하여다루었다. 중고속열차의차량제원을제시하고, 이열차의추진에사용될수있는선형유도전동기의특성을유한요소해석을이용해도출하고이를설계에반영하여최종모델을도출하였다. 주요어 : 자기부상열차, 선형유도전동기, 유한요소해석, 광역철도 1. 서론최근중앙도시의과밀화와교통망포화의문제대두로인해 GTX(Great Train Express) 와같은광역도시간운행수단에대한수요가증가하고있다. 국내에서는경기도와서울을관통하는노선을갖는 GTX가계획중에있으며 2개의노선은이미사업이확정되어진행중에있다. GTX에활용할철도차량에는현재 ITX(Intercity Train Express) 와같은광역도시철 교신저자 : 한국기계연구원 (cjkim@hk.ac.kr) * 충남대학교공과대학전기공학과 ** 한국기계연구원
도모델이고려되고있지만, 회전전동기를이용하여기계적회전력을기어와바퀴로전달하여레일위를달리는시스템이기때문에도시내에서발생하는소음진동과가감속특성측면에서불리한평가를받고있다. 반면에, 선형유도전동기에의해서구동되는자기부상철도차량은얼음, 눈, 비등의환경적조건에절대적으로유리하며, 비점착구동으로탁월한등판능력이있음은물론, 부가적인기계적동력전달장치가불필요하여지상화가가능하므로지하구간건설시터널의단면적이축소되어건설비저감등의장점이있다. 또한, 광역도시철도의경우많은지하구간이있고광역철도로서의역할을수행하기위해서는높은가감속특성이필요한데, 자기부상철도시스템은이에부합하는열차특성을갖고있다. 자기부상열차의추진에는건설비용이저렴하고무게가가벼운선형유도전동기가많이쓰이고, 현재인천에개발완료된도시형자기부상열차에도 100km/h급선형유도전동기가사용되었다. 선형유도전동기는회전형유도전동기에서중심축을포함한평면을잘라직선상으로전개한구조형태로되어있으며 1차측권선에흐르는전류에의하여만들어지는직선이동자계와 2차측알루미늄도체판에유도된와전류사이에추력을발생시키는동력장치로, 현재저속에서고속에이르기까지직선운동이요구되는고속전철, FA분야및 OA분야등에많이적용되고있다. 본논문에서는 GTX 열차에적용할수있는중고속자기부상열차의운행사양을제시하고, 열차의추진을담당할선형유도전동기의특성해석및설계에대하여제시하였다. GTX 열차의운행속도를고려하여 200km/h를최고속도요구사항으로산정하였고계산된주행저항을만족할수있는추력을낼수있는설계를진행하여제시하였다. 2. 본론 2.1 차량사양 2.1.1 중고속자기부상열차의개념중고속자기부상열차는경량화된금속구조체의상전도흡인식을사용한다. 열차의편성은 6량 1편성이고 1량당 6개의대차와 12대의선형유도전동기를갖는다. 열차의구성은 Fig. 1을통해확인할수있다. Fig. 1 System diagram of high speed MAGLEV
2.1.2 중고속 자기부상열차의 견인력 산출 열차의 견인력을 산출하기 위해서는 주행저항을 계산해야 한다. 자기부상열차에서 차량의 주행저항 R은 집전장치에 의한 저항 Rc와 부상장치에 의한 자기적인 저항 Rm, 그리고 공기 저항 Ra, 마지막으로 터널에 의한 성분 Rt로 나눌 수 있고 식(1)을 통해 산출할 수 있다. R Rc Rm Ra Rt Rc 41.68 N c Rm 3.54 W V for 0 V 20[km/h] Rm 18.22 0.074 V W for V 20[km/h] (1) Ra 1.652 0.552 N V 2 Rt 1[kg/ton] 여기서 Nc는 팬터그래프 수, W는 질량, V는 속도, N는 차량 수가 되겠다. 정토크 영역의 견인력 계산을 위해서 1편성 249톤의 하중에서 각 열차 편성에 대해 90[km/h]속도까지 2[km/h/s]의 가속도가 요구되고 식 (1)에 따라 계산을 하면 편성의 열차 저항은 8433[N]이 되고 요구 견인력을 계산하면 146766[N]이 된다. 여기에 편성당 총 48대 의 선형 유도전동기가 장착되기 때문에 1대당 견인력을 계산해 보면 약 3.1[kN]이상의 추력 을 내도록 설계 되어야 90[km/h]까지 평균 가속도가 2[km/h/s]를 초과 달성할 수 있다. 2.2 선형 유도전동기의 특성 2.2.1 선형 유도전동기의 설계모델 Fig. 2 Schematic of high speed MAGLEV 200[km/h]급 중고속 자기부상 열차의 초기 컨셉은 6량 1편성으로 1량당 6대차의 구성으로 되어 있다. 차체 길이는 1량 기준 20,000[mm]이고 6대차 구성이기 때문에 선형 유도 전동기 1 대당 최대 길이는 2500[mm]로 선정 하였다. Fig. 2는 초기설계한 선형유도전동기의 평면도 이 다. 2500[mm]의 길이의 12극을 갖는 선형 유도 전동기로서 자세한 차량 사양은 Table 1에 제 시하였다.
Table 1 Specs of Linear induction motor Parameter Value Parameter Value Poles 12 Base Velocity 25 (m/s) Slots 77 Pole pitch 192.6 (mm) Turn/slot 3 Stack Length 220 (mm) 12극의 77슬롯을갖고있고기저속도는 90[km/h](25[m/s]) 이다. 자기부상열차의컨셉이기때문이수상상태를고려하여공극은 12[mm] 로책정하고, 운전주파수에영향을미치는극간격은 192.6[mm] 이다. 2.2.2 인버터시스템 Fig. 3 6 Inverter configuration of six-bogie system Fig. 3은 6대차자기부상열차의선형유도전동기의운영시스템을보여주고있다. 선형유도전동기를구동하기위한가선전압은 1500[V dc ] 이고 3상인버터를이용하여구동을한다고가정하면 2P6S시스템은 123[V max ], 2P3S시스템은 245[V max ] 를입력전원으로사용할수있다. 선형유도전동기를구동하기위한입력전압은기기내부의유기기전력과아주밀접한관련이있다. 유기기전력은속도가높아질수록크기가커지게되고이크기가입력전압보다커지게되면전류가역류하여발전기로구동되게된다. 전동기구동시스템에서는속도의증가에비례하여커지는유기기전력에비해인가전압의크기를높이는것에한계가있기때문에, 200[km/h] 급중고속자기부상열차추진을위해서는전압의이용률을높일수있는 2P3S시템으을선정하였다. 2.2.3 2D FEM을이용한선형유도전동기의정격특성해석선형유도전동기의해석을위해서는선형모델을 2D로직접모델링하여추력및부상력을해석하는방법이있고, 해석시간및안정성을고려하여매우큰원통형모델로근사화하여해석하는방법이있다. 본논문에서는정격추력과슬립에따른추력및부상력해석은선형
10 Thrust Force (kn) @ 90km/h Thrust Force (kn) 5 0-5 -10 0 50 100 150 200 250 Time (ms.) Fig. 4 Steady state characterization of LIM 5 Thrust & Normal Force [kn] 0-5 -10-15 Thrust Normal Force -20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Slip Frequency [Hz] Fig. 5 Comparison of thrust and normal force by slip frequency. 모델로해석하였고, 전동기의능력곡선은매우많은횟수의해석을요하기때문에원통형모델로근사화하여해석을실시하였다. Fig. 4는초기설계된선형유도전동기의정격특성해석결과이다. 245[V max ] 를입력전압으로설정하여해석한결과로서, 코일의점적률은 60[%] 로선정하고기저속도인 90[km/h] 지점에서정격해석을실시하였다. 정격해석의입력주파수는극피치와직선운동속도와의관계에서슬립주파수를고려하여선정하였는데, 본해석에서는 12.5[Hz] 를슬립주파수로선정하였다. 해석결과정격추력은 4.17[kN] 으로요구추력보다 30[%] 높게나왔고, 전류밀도는 4.95[A/mm 2 ] 으로초기설계의유효성을확인할수있다. Fig. 5는슬립주파수에따른추력및수직력특성해석결과이다. 자기부상열차는자기적힘을이용하여레일에서부상을한다음움직이기때문에, 선형유도전동기의수직력의크기는열차의부상제어에서아주큰영향을미치는파라미터가된다. 두결과값모두비선형적특성을보이고있고적정지점을결정하는것이선형유도전동기의설계및운전에서중요한포인트가된다. 본논문에서는 12.5[Hz] 를정격슬립주파수로선정하였다.
2.2.4 선형유도전동기의능력곡선도출 (a) (b) Fig. 6 (a) Characteristic analysis results of constant thrust region. (b) Characteristic analysis results of constant power region. Fig. 6은설계된선형유도전동기의능력곡선도출을위한해석결과를보여주고있다. 일정추력영역의해석결과인 (a) 그래프를보면기저속도인 90[km/h] 까지요구추력 3.1[kN] 이상인 3.4[kN] 까지운전가능한결과를보여주고있고, 특성영역해석결과인 (b) 그래프또한최고스피드인 200[km/h] 까지가속이가능한결과를확인할수있다. 3. 결론 본논문은 200[km/h] 급자기부상열차의추진용선형유도전동기의설계에대한연구를다루었다. 열차의기계적사양을바탕으로주행저항을선정하고이에만족하는운전능력을갖는선형유도전동기를설계하였다. 슬립주파수를고려한특성해석과정격추력특성을해석하여정격운전특성을확인하고정격추력영역과특성영역의해석을통해설계의타당성을확인하였다. 차후정밀해석을통해최적화설계안을도출하여최고효율설계를진행할것이다. 후기 본연구는국도교통부철도기술연구사업의연구비지원 (14RTRP-A069839-02) 에의해수행되었습니다. 참고문헌 [1] Japan Subway Association (2004) Linear Metro System, Japan Subway Association, pp. 1-28. [2] I. Boldea, S.A. Nasar (2001) Linear motion electromagnetic devices, Taylor&Francis, NY. [3] Seung-Chan Park, Won-min Lee, Kyung-Min Kim, Jung-Chul Kim and Yeong-Ho Park, Analysis of Linear Induction Motors for Maglev According to the Secondary Conductor Structure, Proc. of Icems 07, 2007. 10. 16 [4] T. A. Lipo, T. A. Nondahl, Pole-by-Pole d-q model of a linear induction machine, IEEE Transaction on Power Apparatus and System, Vol. PAS-98, No. 2, March/April, 1979.