기계적 강도를 고려한 초고속 선형동기전동기 회전형 시험기 설계

Design of High-Speed LSM Rotary Type Testing Machine in Consideration of Mechanical Strength

Abstract

The rotary type testing machine undergoes mechanical stress as an external force is applied. In case of the rotary type testing machine, even a tiny flaw results in a fatal demage because the size of the machine is huge. Therefore, when designing the rotary type testing machine, it is necessary to secure a safety factor with the mechanical stress analysis in order to prevent the machine from being destroyed due to scattering or transformation of rotating field. This thesis proposes a LSM rotary type tesitng machine which rotates at the speed of up to 600km/h. And the mechanical stress is considered in order that the safety factor remains above 1.5 at the maximum speed. In addition, because normal force as well as thrust occurs in the machine, the normal force exerted was considered through the strength analysis. Finally, a design plan which enables to weaken the normal force affecting the rotary type testing machine is introduced and its validity is proved by the results of FEM analysis.

1. 서 론

현재 기존의 고속열차는 최고속도 300~350km/h로 운영되고 있으며, 속도 증속을 위한 다양한 연구들이 진행 중에 있다. 그중 초고속 자기부상열차를 비롯한 wheel-on-rail 방식의 비부상 초고속열차에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 기존의 초고속 자기부상열차는 전자기력을 이용하여 열차를 부상시켜서 비접촉식으로 운행하기 때문에 마찰, 소음, 진동이 없으며, 점착력을 필요로 하지 않으므로 기존의 휠 온 레일 방식으로는 달성이 어려운 600km/h 이상의 속도로 달릴 수 있는 친환경적인 교통수단이나, 부상 가이드웨이 및 부상제어 등 기술적, 경제적 난제가 존재하며, 특히 열차 상호간의 호환운영이 어려워 실용화에 낭하을 겪고 있다. 따라서 초고속 자기부상열차의 장점인 선형추진방식만을 채용한 비부상 초고속열차에 대한 관심이 높아지고 있다[1,2].

초고속 열차에 사용가능한 선형동기전동기는 이동자와 고정자 모두 직선형의 구조로 되어 있기 때문에 이동자에 작용하는 추진력 측정의 어려움이 존재하며, 이는 일반 회전형 전동기와 같이 전동기와 측정 장비의 상대 위치가 고정되어 있는 경우와 다르다. 또한 선형동기전동기의 고속운전시험을 위해서는 매우 긴 노선이 필요하고 막대한 비용이 발생하므로 회전시험기의 형태로 제작하면 고속영역시험이 가능하고 선형동기전동기의 기기적 특성을 파악하고 제어시스템 선행연구에 이용가능하다[3].

회전형 시험기는 회전하는 동안 여러 외력이 작용함에 따라 기계적 스트레스를 받게 된다. 회전형 시험기의 경우, 그 사이즈가 매우 크기 때문에 시험기의 작은 결함만으로도 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 회전형 시험기를 설계할 때, 회전 계자 권선의 비산 및 회전 계자의 변형으로 인한 회전형 시험기 파손 방지를 위해 기계적 강도해석을 통한 안전율 확보는 반드시 필요하다.

본 논문에서는 시속 600km/h를 달성하는 선형동기전동기 회전형 시험기 모델을 제안한다. 그리고 회전형 시험기가 최고 속도에서 운전할 때 안전율 1.5 이상을 유지할 수 있도록 기계적 강도를 고려하여 설계하였다. 또한 선형동기전동기는 특성상 추력뿐만 아니라 수직력이 발생하므로 수직력이 회전형 시험기의 기계적 강도에 미치는 영향을 강도해석을 통하여 분석하였다. 마지막으로 회전형 시험기의 기계적 강도에 영향을 주는 수직력을 상쇄시킬 수 있는 설계 방안을 제시하고 유한요소해석을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.

 

2. 초고속 선형동기전동기 회전형 시험기 모델

2.1 회전형 시험기 해석 모델

본 논문에서 서술되는 회전형 시험기는 시속 600km/h를 달성하는 선형동기전동기를 등가화하여 회전형의 형태로 설계한 것으로 그 형태는 그림 1과 같다. 그 구조를 살펴보면 선형동기전동기의 이동자에 해당되는 계자가 회전 계자 형태로 구성되고, 고정자는 회전 계자를 일부 감싸는 형태이다.

그림 1선형동기전동기 회전형 시험기 모델 Fig. 1 LSM rotary type testing machine

그림 2는 회전형 시험기의 권선도를 나타낸 것으로, 회전 계자는 직류 전압이 인가되어 여자되고 고정자에는 3상 교류전압이 인가되어 구동된다. 표 1은 선형동기전동기 회전형 시험기의 설계 사양을 나타낸다. 시속 600km/h를 달성하기 위해서는 회전형 시험기의 직경이 3m라고 했을 때, 1,111RPM으로 회전해야 한다. 또한 목표 출력 20kW를 달성하기 위해서는 172Nm만큼 토크가 발생해야 한다. 그림 3은 회전형 시험기의 토크 파형으로 목표 토크를 만족한 것을 알 수 있으며, 그림 4는 전압파형으로 최고 속도에서 전압 제한값을 만족함을 알 수 있다.

그림 2회전형 시험기 권선도 Fig. 2 LSM rotary type testing machine winding layout

표 1선형동기전동기 회전형 시험기 설계 사양 Table 1 Specifications of high-speed rotary type testing machine

그림 3토크 파형(635RPM(위), 1,111RPM(아래)) Fig. 3 Torque waveform(635RPM(Above), 1,111RPM(Below))

그림 4전압 파형(1,111RPM) Fig. 4 Voltage waveform(1,111RPM)

2.2 회전형 시험기 강도 해석 모델

본 논문에서 서술되는 선형동기전동기 회전형 시험기는 회전 계자의 직경이 3m이고 회전속도가 최고 1,111rpm이기 때문에 회전 계자의 안전율이 중요하다. 회전형 시험기의 회전 계자를 살펴보면, WFSM(계자권선형 동기전동기)의 형상과 유사하다. 계자를 이루는 부분은 철심으로 구성되어 있으며 회전 계자의 치에는 권선이 감겨져 있다. 회전 계자의 요크는 일반 전동기와 같이 설계할 수 있지만 회전 계자의 무게를 고려했을 때 올바른 설계법이 아니므로 그림 5와 같이 회전축과 계자 사이를 Spoke 모양으로 하여 회전 계자의 무게를 줄이도록 하고, Spoke 양 끝단에 Fillet을 주어 Spoke가 받는 Stress를 줄일 수 있도록 설계하였다. 또한 Spoke의 재질을 SUS로 하였기 때문에 공기의 투자율과 같으므로 회전형 시험기의 성능에 영향을 주지 않는다.

그림 5회전형 시험기의 회전 계자 Fig. 5 Rotary field of the rotary type testing machine

 

3. 기계적 강도를 고려한 회전형 시험기 최적화 설계

3.1 Spoke 개수에 따른 기계적 강도 해석

회전형 시험기가 고속으로 운전될 때 회전 계자에 원심력이 발생하므로 중심축과 계자를 지지하는 Spoke에 응력이 집중된다[4]. 따라서 본 절에서는 Spoke 개수와 기계적 강도와의 관계를 분석하기 위해 Spoke 개수에 따른 강도 해석을 수행하였고, 그 결과를 바탕으로 Spoke 개수를 결정하였다.

그림 6은 Spoke 개수에 따른 기계적 강도해석 결과를 나타내고 최대 응력이 최소가 되는 Spoke 개수는 12개인 것을 알 수 있다.

그림 6Spoke 개수에 따른 기계적 강도해석 결과 (a)Spoke 4개, (b)Spoke 8개, (c)Spoke 12개, (d)Spoke 16개 Fig. 6 Result of Mechanical strength analysis according to number of spoke

식 (1)은 안전율을 구하는 식으로 𝜎E 는 Equivalent Stress를 나타내고 𝜎 Yield 는 Yield Strength를 나타낸다[5]. 식 (1)을 이용하여 Spoke 개수에 따른 안전율을 구하면 표 2와 같다. 본 논문에서 서술하는 회전형 시험기는 안전율 1.5를 목표로 함으로 Spoke의 개수가 12개 및 16개일 때 목표 안전율을 만족하고 그 중 12개일 때가 가장 안전율이 크므로 12개가 최적화된 Spoke 개수라고 할 수 있다.

표 2Spoke 개수에 따른 최대 응력 및 안전율 Table 2 Maximum stress and safety factor according to number of spoke

3.2 수직력을 고려한 회전형 시험기 기계적 강도 해석

선형동기전동기에서는 추력과 수직력이 존재한다. 만약, 수직력이 회전 계자의 기계적인 강도에 영향을 주어 안전율을 저하시킨다거나 수직력에 의해 회전 계자와 고정자 사이의 공극이 일정하게 유지하지 못한다면 회전형 시험기의 성능에 큰 문제가 발생하게 된다. 회전형 시험기의 구조는 전동기와 같이 고정자가 회전자를 둘러싸고 있는 구조가 아니라 일부분만을 둘러싸고 있기때문에 수직력이 한쪽방향으로만 영향을 줄 수 있다. 따라서 기계적 강도해석을 할 때 수직력을 고려하여 강도해석을 수행해야한다. 그림 7은 수직력을 고려한 회전형 시험기의 강도해석 모델을 나타내고 회전형 시험기의 최대 수직력은 1009.9N이므로 이를 적용하여 모델링을 하였다.

그림 7수직력을 고려한 기계적 강도해석 모델 Fig. 7 Mechanical strength analysis model in consideration of normal force

그림 8은 수직력을 고려한 기계적 강도해석 결과를 나타내고 표 3은 수직력을 고려하지 않은 모델과 고려한 모델의 최대 응력 및 안전율을 비교한 것이다. 표 3에서 볼 수 있듯이, 수직력을 고려하면 최대 응력이 증가하고 안전율이 작아지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 편측형 회전형 시험기 설계를 할 경우에는 수직력을 고려한 강도해석을 수행하여 기계적 안정성을 검증하여야 한다.

그림 8수직력을 고려한 기계적 강도해석 결과 Fig. 8 Result of mechanical strength analysis in consideration of normal force

표 3수직력을 고려하지 않은 모델과 고려한 모델의 최대 응력 및 안전율 비교 Table 3 Comparison of maximum stress and safety factor between a model which considered the normal force and another model which not.

 

4. 양측형 회전형 시험기

앞 장에서 설계한 회전형 시험기는 고정자가 회전 계자의 일부분을 감싸고 있는 형태이기 때문에 수직력이 한 곳에만 집중되어 나타났다. 하지만 그림 9와 같이 고정자를 대칭적으로 양측 면에 설계 한다면 수직력이 상쇄되는 효과를 가지므로 회전형 시험기 설계 시 수직력에 대한 고려를 하지 않아도 될 것이다. 따라서 본 장에서는 양측형 회전형 시험기에 대한 설계를 진행하였다.

그림 9양측형 회전형 시험기 모델 Fig. 9 Both sides rotary type testing machine

양측형 회전형 시험기를 설계할 경우, 동등 출력 20kW를 발생하기 위해서는 적층길이를 기존의 절반인 50mm로 설계 하면된다. 표 4는 양측형 회전형 시험기의 설계 사양을 나타낸 표이다. 표 4에 보이는 바와 같이, 적층 길이 및 고정자 극 수를 제 외한 나머 설계 사양은 동일한 것을 볼 수 있다. 또한 편측형 회전형 시험기와 같은 조건으로 전류를 인가하였을 때 목표 사양을 만족하면서 비슷한 성능을 내는 것을 확인하였다.

표 4양측형 회전형 시험기 설계 사양 Table 4 Specifications of both sides rotary type test facility

그림 10토크 파형(635RPM(위), 1,111RPM(아래)) Fig. 10 Torque waveform(635RPM(Above), 1,111RPM(Below))

그림 11전압 파형(1,111RPM) Fig. 11 Voltage waveform(1,111RPM)

 

5. 결 론

본 논문에서는 최대 속도 600km/h를 달성할 수 있는 초고속 선형동기전동기의 회전형 시험기 설계에 대해 서술하였다. 먼저 선속도 600km/h를 달성하면서 목표 출력 20kW를 내는 회전형 시험기를 설계하고 그 성능을 유한요소해석을 통해 확인하였다. 그리고 기계적인 안전성을 확보하기 위해서 회전 계자와 회전 축 사이를 Spoke 구조로 설계하였고 Spoke 개수에 따른 강도해석을 수행하여 안전율 1.5 이상을 확보할 수 있는 Spoke의 개수를 결정하였다. 또한 고정자가 회전계자의 일부분을 감싸고 있는 편측형 회전 시험기의 경우, 수직력이 발생하기 때문에 수직력을 추가적으로 고려하여 강도해석을 수행하였고, 안전율을 검증하였다. 마지막으로 회전형 시험기의 기계적 강도에 영향을 주는 수직력을 상쇄시킬 수 있는 설계 방안으로 고정자를 대칭적으로 설계하는 양측형 회전형 시험기를 제시하고 유한요소해석을 통해 성능을 확인하고 설계의 타당성을 검증하였다.