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Characteristic Analysis of Superconducting LSM for the Wheel-rail-guided Very High Speed Train according to Winding Method of the Ground 3-phase Coils
Characteristic Analysis of Superconducting LSM for the Wheel-rail-guided Very High Speed Train according to Winding Method of the Ground 3-phase Coils
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2014. Aug, 63(8): 1164-1169
Copyright © 2014, The Korean Institute of Electrical Engineers
  • Received : June 26, 2014
  • Accepted : July 19, 2014
  • Published : August 01, 2014
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찬 배 박
Corresponding Author : Korea Railroad Research Institute, Korea E-mail :cbpark@krri.re.kr
병 송 이
Korea Railroad Research Institute, Korea
창 영 이
Korea Railroad Research Institute, Korea

Abstract
Recently, an interest in a hybrid system combining only the merits of the conventional wheel-rail system and Maglev propulsion system is growing as an alternative to high-speed maglev train. This hybrid-type system is based on wheel-rail method, but it enables to overcome the speed limitation by adhesion because it is operated by a non-contact method using a linear motor as a propulsion system and reduce the overall construction costs by its compatibility with the conventional railway systems. Therefore, the design and characteristic analysis of a coreless-type superconducting Linear Synchronous Motor (LSM) for 600km/h very high speed railway system are conducted in this paper. The designed coreless-type superconducting LSMs are the distributed winding model, the concentrated 1 layer winding model and the concentrated 2 layer winding model, respectively. In addition, the characteristic comparison studies on each LSM are conducted.
Keywords
1. 서 론
최근 세계화가 가속화되면서 이에 따른 고속 교통수단에 대한 요구도 증가되고 있다. 교통 측면에서 속도는 경쟁력을 갖추기 위한 중요한 요소 중 하나이며, 가까운 미래에 세계 경제의 중심이 될 동북아시아 지역에서는 더욱 중요하다 [1] . 세계는 지금 다양한 방식의 초고속철도 개발에 박차를 가하고 있으며, 지금까지 개발된 가장 빠른 열차는 일본의 자기부상열차(581km/h)이다. 자기부상열차는 1960년대부터 연구개발이 이루어진 이래, 독일과 일본의 경우는 실용화 수준에 도달하였으며, 시험선로에서의 대부분의 시험이 이루어졌다. 독일의 Transrapid는 2003년 12월, 중국 상하이에 430km/h급 상용노선을 건설하여 세계 유일의 상용시스템이 되었으며, 일본이 동경-오사카 라인에 500km/h급 이상의 자기부상열차 실용화 노선을 준비하고 있지만, 막대한 건설비용 문제를 아직 해결하지 못한 상황이다 [4] [5] . 기술적, 경제적 문제를 포함한 다양한 이유를 근거로 500km/h급 이상의 초고속 자기부상열차에 대한 실용화가 늦어지면서 이에 대한 대안으로 기존의 휠-레일 방식과 자기부상 추진방식의 장점만을 혼합한 하이브리드 철도시스템에 대한 관심이 커지고 있다. 이러한 하이브리드 철도시스템은 휠-레일 방식에 기초하지만, 추진시스템으로 기존의 회전형 전동기가 아닌 선형전동기를 이용하기 때문에 비점착구동이 가능하여 기존의 휠-레일 추진방식에 의한 속도한계를 극복할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 휠-레일 지지방식과 선형전동기 추진방식을 가지는 600km/h급 초고속열차용 공심형 초전도LSM(Linear Synchronous Motor) 지상 3상 전기자 코일의 다양한 분포/집중 권선방식의 변화에 따른 전자기적 특성 변화를 수치해석적 기법을 이용하여 분석하였다. 또한 공심형 LSM의 경우 큰 추력 리플이 문제가 되기 때문에 추력리플 저감을 위하여 공심형 초전도 LSM의 지상 3상 전기자 코일의 극 피치 변경에 따른 추력 리플 특성 분석도 수행하였다. 그림 1 은 본 연구에서 제시하는 600km/h급 초고속열차용 공심형 초전도 LSM의 구조 개념을 보여준다 [1] .
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600km/h급 초고속열차용 공심형 초전도 LSM의 구조 개념[1] Fig. 1 Concept of the structure of the coreless-typed LSM for 600km/h VHST [1]
2. 초전도 LSM의 지상권선 방식별 모델 설계
- 2.1 공심형 초전도 LSM의 지상권선 방식 분류
본 논문에서는 공심형 초전도 LSM의 지상 3상 전기자 권선방식으로 분포권 방식과 집중권 방식을 고려한다. 그림2 는 공심형 LSM의 지상 3상 전기자 권선 방식별 모델을 보여준다. 그림 2 에서 보는 바와 같이, 분포권 방식의 경우는 파권 방식으로 턴수를 1턴으로 가져가야 하는 구조이기 때문에 대전류에 의한 코일의 부담을 덜기 위하여 병렬형 코일을 적용하며, 집중권 모델의 경우는 코일 1상 당 모듈형 코일로 제작하여 각 상 모듈형 코일을 조합하는 방식을 적용한다. 모듈형 코일이 적용되는 집중권 모델의 경우, 동일한 구조 및 형태를 갖는 모듈형 코일을 별도로 제작하여 현 장에서 설치 시 쉽고 빠르게 시공이 가능한 장점을 가지고 있다 [6] .
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공심형 초전도 LSM의 지상 3상 전기자 권선 방식별 모델 Fig. 2 Section view of 210kW-class IPMSMCoreless-typed LSM models according to winding method of the ground 3-phase coils
- 2.2 지상권선 방식별 공심형 초전도 LSM 설계 모델 도출
본 논문에서는 600km/h급 초고속 열차용 공심형 LSM 설계모델의 도출을 위한 요구 견인력 곡선을 도출하여 그림 3 에 정리하였으며, 설계 사양을 표 1 에 정리하였다. 공심형 LSM의 설계에 있어서 각 모델의 공통적인 설계 결과를 살펴보면, 공심형 LSM의 정격속도와 최고속도는 각각 342/660km/h, 추진 시 요구되는 총 출력은 26MW이며, 기동 견인력과 최고속도 견인력은 각각 276/152kN이다. 또한 공심형 LSM의 공극은 70mm이며, 지상 전기자와 차상의 계자극 피치는 1200mm이다.
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600km/h급 초고속열차의 요구 견인력 및 주행저항 곡선 Fig. 3 Required traction force and running resistance curves of 600km/h VHST
600km/h급 초고속열차용 공심형 LSM의 설계 사양Table 1 Design requirements of coreless-typed LSM for 600km/h VHST
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600km/h급 초고속열차용 공심형 LSM의 설계 사양 Table 1 Design requirements of coreless-typed LSM for 600km/h VHST
먼저 공심형 초전도 LSM 전기자 최적 권선법 도출을 위해 앞에서 전절권을 갖는 분포권 모델과 함께 집중권 모델을 1층권과 2층권 모델로 구분하여 3가지 권선방식의 모델을 도출하였다. 그림 4 는 본 논문에서 도출된 공심형 초전도 LSM 모델의 FEM 해석을 위한 단면도를 보여준다. 그림 4 에서 보는 바와 같이, (a)는 지상 전기자 3상 코일이 분포권 모델, (B)는 집중권 1 Layer 모델, (c)는 집중권 2 Layer 모델이다. 여기서 모든 모델의 지상 전기자 3상 코일은 전절권이며, (a)와 (b)는 지상 전기자 코일 Span이 400mm, (c)는 600mm이다.
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각 공심형 초전도 LSM 모델의 FEM 해석을 위한 단면도 Fig. 4 Sectional views of each coreless-typed LSM model for FEM analysis
3. 공심형 초전도 LSM의 지상권선 방식에 따른 특성 분석
- 3.1 지상권선 방식별 공심형 초전도 LSM의 발생 Force 특성 분석
본 논문에서는 600km/h급 초고속열차 추진용으로 설계된 공심형 초전도 LSM 모델 각각의 지상 전기자 권선방식에 따른 다양한 전자기적 특성 분석을 위하여 2D-FEM Tool을 이용하였다. 특성 해석을 위하여 초고속열차의 정격속도인 342km/h, 중간속도인 550km/h, 그리고 최대속도인 660km/h에서 각 모델의 발생 추진력이 기준 추진력을 만족하는 입력전류의 값을 도출한 후, 각 모델의 전류 위상각을 –90도에서 90까지 변경시키면서 각 모델의 추진력과 수직력을 도출하였다.
그림 5 는 공심형 초전도 LSM 2극 모델의 권선방식 별부하각 변동에 따른 추진력과 수직력 변동 특성을 보여준다. 그림 5(a) 는 분포권 모델의 추진력/수직력 특성 곡선(2극 모델)이며, (b)는 집중권 1-Layer 모델의 추진력/수직력 특성 곡선(2극 모델)이며, (c)는 집중권 2-Layer 모델의 추진력/수직력 특성 곡선(2극 모델)이다. 그림 5 에서 보는 바와 같이, 최대의 추진력이 발생되는 전류 위상각은 해석 모델에 따라 다르며, 분포권 모델의 경우는 0도, 집중권 1-Layer 모델의 경우는 –30도, 집중권 2-Layer 모델의 경우는 –60에서 나타났다. 흡인력의 경우는 분포권 모델에서 가장 크게 발생되었으며, 집중권 2-Layer 모델에서 가장 작게 발생되었다. 앞에서도 언급을 했지만 600km/h급 초고속 열차의 경우 Wheel-Rail 방식을 적용하기 때문에 고속 운행시 공심형 초전도 LSM의 적당한 흡인력이 고속 주행 안정성에 도움이 될 것이다. 따라서 공심형 초전도 LSM의 운영 전류 위상각은 분포권 모델의 경우 -20도, 집중권 1-Layer모델의 경우 –40도, 집중권 2-Layer 모델의 경우 –70도를 선택하였다.
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추진력과 수직력 변동 특성 Fig. 5 Thrust & Normal force properties (2 Pole model)
표 2 는 공심형 LSM 권선방식별 발생 추력 및 수직력 분석 결과의 비교를 보여준다. 표 2 에서 보는 바와 같이, 열차속도 342km/h에서 기준 추진력을 만족하는 각 모델의 지상 전기자의 입력전류를 살펴보면, 분포권 모델의 경우 4000A, 집중권 1-Layer 모델은 4750A, 집중권 2-Layer 모델은 2600A로 집중권 2-Layer 모델의 요구 전류가 가장 작다. 이는 전기자 코일 사양을 결정하는 측면에서 집중권 2-Layer 모델의 코일의 선경이 가장 작아도 됨을 의미하며, 결국 Cost 적인 측면이나 제작성 측면에서 집중권 2-Layer 모델이 가장 유리한 구조임을 확인시켜 주는 것이다.
600km/h급 초고속열차용 공심형 LSM의 설계 사양Table 2 Design requirements of coreless-typed LSM for 600km/h VHST
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600km/h급 초고속열차용 공심형 LSM의 설계 사양 Table 2 Design requirements of coreless-typed LSM for 600km/h VHST
결국, 본 연구에 결과를 살펴보면, 600km/h급 초고속열차 추진용 공심형 초전도 LSM의 경우, 집중권선의 2층권 방식이 적용되면 성능이나 제작비용 측면에 있어서 가장 유리한 구조의 도출이 가능하다는 것을 확인할 수 있으며, 향후 집중권선 2층권 방식의 모델에서 다양한 설계 파라미터를 선정하여 추가적인 최적화 노력이 필요할 것으로 보인다.
- 3.2 공심형 초전도 LSM의 추력 리플 특성 분석
일반적으로 공심형 LSM의 경우 큰 추력 리플이 문제가 된다 [7] [8] . 큰 추력 리플은 LSM진동 및 소음의 원인이 되기 때문에 공심형 LSM을 초고속열차의 추진시스템으로 적용하기 위해서 추력 리플 저감 노력은 반드시 필요하다. 본 논문에서는 공심형 초전도LSM의 추력 리플을 저감시키기 위하여 지상에 설치되는 전기자 코일 극 피치를 변경시키는 방법을 적용하였다. 공심형 초전도LSM 각 모델 별 전기자 코일 극 피치를 1200mm에서 위/아래로 바꿔보면서 추력 리플의 변화 추이를 살펴보았다.
그림 6 은 공심형 초전도 LSM 지상 3상 코일의 코일 피치 조정을 위한 모델링을 보여준다. 그림 6 에서 보는 바와 같이, 지상 3상 코일의 극 피치 조정으로 인하여 각 모델의 상 코일의 Coil Span도 함께 변하게 된다. 그림 7 은 공심형 초전도 LSM의 권선 방식별 지상 3상 코일 극 피치 조정을 통한 추력 리플 분석 결과를 보여준다. 그림 7 에서 보는 바와 같이, 지상 3상 코일 극 피치 조정을 통하여 추력이 변하는 것을 확인할 수 있다. 분포권 모델과 집중권 1-Layer 모델의 경우, 극 피치가 1110∼1120mm일 때 추력이 가장 크게 나타나고, 집중권 2-Layer 모델의 경우, 극 피치가 1040mm일 때 추력이 가장 크게 나타난다. 하지만 추력 리플 측면에서 보면, 분포권 모델과 집중권 1-Layer 모델의 경우, 극 피치가 1305mm일 때 추력 리플이 가장 작게 나타나고, 집중권 2-Layer 모델의 경우, 극 피치가 1010mm일때 추력 리플이 가장 낮게 나타난다. 즉, 분포권 모델과 집중권 1-Layer 모델의 경우는 추력 최대점과 추력 리플 최소점이 동일한 극 피치에서 발생되지 않지만, 집중권 2-Layer모델의 경우는 추력 최대점과 추력 리플 최소점이 거의 동일한 극 피치에서 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 공심형 LSM 권선방식별 최대 추력/최소 추력리플이 발생되는 Pole Pitch 비교 결과를 표 3 에 정리하였다.
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지상 3상 코일의 코일 피치 조정을 위한 해석 모델링 Fig. 6 Analysis modeling for the coil pitch variation of the ground 3-phase coil
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지상 3상 코일의 극 피치 조정을 통한 추력 리플 변화 특성 Fig. 7 Thrust & thrust ripple variation properties by the pole pitch variation of the ground 3-phase coil
공심형 LSM 권선방식별 최대 추력/최소 추력리플 발생되는 Pole Pitch 비교Table 3 Comparison results of the pole pitch caused the max. thrust/min. thrust ripple according to winding method
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공심형 LSM 권선방식별 최대 추력/최소 추력리플 발생되는 Pole Pitch 비교 Table 3 Comparison results of the pole pitch caused the max. thrust/min. thrust ripple according to winding method
결론적으로 공심형 초전도 LSM 지상 3상 전기자 코일극 피치 조정을 통하여 추력 및 추력 리플의 변화 특성 및 추력 리플의 저감 가능성을 확인할 수 있었으며, 집중권 2-Layer 모델이 거의 동일한 코일 극 피치에서 추력 최대와 추력 리플 최소 특성을 보이기 때문에 공심형 초전도 LSM 설계 시 용이함을 확인할 수 있다.
4. 결 론
기존의 휠-레일 방식에 기초하지만, 추진시스템으로 기존의 회전형 전동기가 아닌 선형전동기를 이용하는 하이브리드 철도시스템의 경우 비점착구동이 가능하여 기존의 휠-레일 추진방식에 의한 속도한계를 극복할 수 있을 것으로 본다. 따라서 본 논문에서는 휠-레일 지지방식과 선형전동기 추진방식을 가지는 600km/h급 초고속열차용 공심형 초전도LSM 지상 3상 전기자 코일의 다양한 분포/집중 권선방식의 변화에 따른 전자기적 특성 변화를 수치해석적 기법을 이용하여 분석하였다. 분석 결과 집중권선의 2층권 방식을 채택할 경우 성능 측면이나 제작비용 측면에 있어서 가장 유리한 구조의 도출이 가능하다는 것을 확인할 수 있으며, 향후 집중권선 2층권 방식의 모델에서 다양한 설계 파라미터를 선정하여 추가적인 최적화 노력이 필요할 것이다. 추가적으로 공심형 초전도 LSM의 지상 3상 전기자 코일의 극 피치변경에 따른 추력 리플 저감 효과 분석도 수행하였으며, 공심형 초전도 LSM 지상 3상 전기자 코일 극 피치 조정을 통하여 추력 및 추력 리플의 변화 특성 및 추력 리플의 저감 가능성을 확인할 수 있었으며, 집중권 2-Layer 모델이 거의 동일한 코일 극 피치에서 추력 최대와 추력 리플 최소 특성을 보이기 때문에 공심형 초전도 LSM 설계 시 용이함을 확인할 수 있었다. 향후 차량 하부에 설치되는 고자장의 초전도 전자석으로 인해 고속 주행 시 레일에 유기기전력이 발생될 수 있기 때문에 이 부분에 대한 보완 연구를 수행할 계획이다.
BIO
박 찬 배
2003년 서울대 대학원 전기공학부 졸업(석사). 2013년 한양대 대학원 전기공학과 졸업(박사). 2003년∼2006년 삼성전자 DA연구소 선임연구원. 2007년 ∼ 현재 한국철도기술연구원 선임연구원. 관심분야는 차량 견인용 회전기, 선형기 설계 및 무선급전시스템
이 병 송
1991년 중앙대 대학원 전기공학과 졸업(석사), 1995년 동 대학원 전기공학과 졸업(박사). 1996년∼1997년 한국고속철도건설공단 철도차량 R&D 센터 선임연구원. 1998년∼현재 한국철도기술연구원 책임연구원. 관심분야는 철도차량용 추진시스템 제어.
이 창 영
1995년 부산대 대학원 전기공학과 졸업(석사). 2012년 연세대 대학원 전기공학과 졸업(박사). 1995년∼2005년 LS전선전력연구소 선임연구원. 2006년 ∼ 현재 한국철도기술연구원 책임연구원. 관심분야는 철도용 고전압 대전류 전력기기.
References
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