Characteristic Analysis of Superconducting LSM for the Wheel-rail-guided Very High Speed Train according to Winding Method of the Ground 3-phase Coils

휠-레일 방식 초고속열차용 초전도 선형동기전동기의 지상권선 방식별 특성 분석

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.

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 1은 본 연구에서 제시하는 600km/h급 초고속열차용 공심형 초전도 LSM의 구조 개념을 보여준다[1].

그림 1600km/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. 그림2는 공심형 LSM의 지상 3상 전기자 권선 방식별 모델을 보여준다. 그림 2에서 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].

그림 2공심형 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 3에 정리하였으며, 설계 사양을 표 1에 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.

그림 3600km/h급 초고속열차의 요구 견인력 및 주행저항 곡선 Fig. 3 Required traction force and running resistance curves of 600km/h VHST

표 1600km/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 4는 본 논문에서 도출된 공심형 초전도 LSM 모델의 FEM 해석을 위한 단면도를 보여준다. 그림 4에서 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.

그림 4각 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 5는 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 5에서 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.

그림 5추진력과 수직력 변동 특성 Fig. 5 Thrust & Normal force properties (2 Pole model)

표 2는 공심형 LSM 권선방식별 발생 추력 및 수직력 분석 결과의 비교를 보여준다. 표 2에서 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.

표 2600km/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 6은 공심형 초전도 LSM 지상 3상 코일의 코일 피치 조정을 위한 모델링을 보여준다. 그림 6에서 보는 바와 같이, 지상 3상 코일의 극 피치 조정으로 인하여 각 모델의 상 코일의 Coil Span도 함께 변하게 된다. 그림 7은 공심형 초전도 LSM의 권선 방식별 지상 3상 코일 극 피치 조정을 통한 추력 리플 분석 결과를 보여준다. 그림 7에서 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 3에 정리하였다.

그림 6지상 3상 코일의 코일 피치 조정을 위한 해석 모델링 Fig. 6 Analysis modeling for the coil pitch variation of the ground 3-phase coil

그림 7지상 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

표 3공심형 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.