2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A023

200km/h급 중고속 자기부상열차 추진용 선형 유도전동기의 설계

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 초 록 현재 중앙도시의 집중화로 인하여 광역 도시간 교통수단에 대한 수요가 급증하고 있다. 광역 도시간 교통수단으로는 정시성과 속도성이 좋고 수송 효율이 우수한 철도교통이 각광받고 있으며, 많은 철도 시스템 중 친환경 적이며 미래지향적인 자기부상열차 시스템이 차세대 광역철도 시스템으로 높은 평가를 받고 있다. 자기부상열차의 추진에는 건설비용이 저렴하고 무게가 가벼운 선형유도전동기가 많이 쓰인다. 현재 인천에 개발 완료된 도시형 자기부상열차는 100km/h급 선형유도전동기가 사용되고 있는데, 이 열차는 중고속 열차 시스템에 사용하기에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 광역 도시간 열차에 쓰일 수 있는 자기부상열차 추진용 선형 유도전동기의 특성해석 및 설계에 대하여 다루었다. 중고속 열차의 차량 제원을 제시하고, 이 열차의 추진에 사용될 수 있는 선형 유도전동기의 특성을 유한요소해석을 이용해 도출하고 이를 설계에 반영하여 최종모델을 도출하였다.

주요어 : 자기부상열차, 선형유도전동기, 유한요소해석, 광역철도

1. 서 론

최근 중앙 도시의 과밀화와 교통망 포화의 문제 대두로 인해 GTX(Great Train Express)와

같은 광역 도시간 운행 수단에 대한 수요가 증가하고 있다. 국내에서는 경기도와 서울을 관

통하는 노선을 갖는 GTX가 계획중에 있으며 2개의 노선은 이미 사업이 확정되어 진행 중

에 있다. GTX에 활용할 철도 차량에는 현재 ITX(Intercity Train Express)와 같은 광역 도시철

† 교신저자: 한국기계연구원 (cjkim@hk.ac.kr)

* 충남대학교 공과대학 전기공학과

** 한국기계연구원

도 모델이 고려되고 있지만, 회전 전동기를 이용하여 기계적 회전력을 기어와 바퀴로 전달

하여 레일 위를 달리는 시스템이기 때문에 도시 내에서 발생하는 소음 진동과 가감속 특성

측면에서 불리한 평가를 받고 있다. 반면에, 선형 유도전동기에 의해서 구동되는 자기부상

철도 차량은 얼음, 눈, 비 등의 환경적 조건에 절대적으로 유리하며, 비점착 구동으로 탁월

한 등판능력이 있음은 물론, 부가적인 기계적 동력전달 장치가 불필요하여 지상화가 가능하

므로 지하구간 건설 시 터널의 단면적이 축소되어 건설비 저감 등의 장점이 있다. 또한, 광

역 도시 철도의 경우 많은 지하 구간이 있고 광역 철도로서의 역할을 수행하기 위해서는 높

은 가감속 특성이 필요한데, 자기부상 철도 시스템은 이에 부합하는 열차 특성을 갖고 있다.

자기부상 열차의 추진에는 건설비용이 저렴하고 무게가 가벼운 선형 유도전동기가 많이

쓰이고, 현재 인천에 개발 완료된 도시형 자기부상열차에도 100km/h급 선형 유도전동기가

사용되었다. 선형 유도전동기는 회전형 유도전동기에서 중심축을 포함한 평면을 잘라 직선

상으로 전개한 구조 형태로 되어 있으며 1차측 권선에 흐르는 전류에 의하여 만들어 지는

직선 이동자계와 2차측 알루미늄 도체판에 유도된 와전류 사이에 추력을 발생시키는 동력장

치로, 현재 저속에서 고속에 이르기까지 직선운동이 요구되는 고속전철, FA분야 및 OA분야

등에 많이 적용되고 있다.

본 논문에서는 GTX 열차에 적용할 수 있는 중고속 자기부상 열차의 운행 사양을 제시하고,

열차의 추진을 담당할 선형 유도전동기의 특성 해석 및 설계에 대하여 제시하였다. GTX 열

차의 운행 속도를 고려하여 200km/h를 최고속도 요구 사항으로 산정하였고 계산된 주행저항

을 만족할 수 있는 추력을 낼 수 있는 설계를 진행하여 제시하였다.

2. 본 론

2.1 차량 사양

2.1.1 중고속 자기부상열차의 개념

중고속 자기부상열차는 경량화된 금속 구조체의 상전도 흡인식을 사용한다. 열차의 편성

은 6량 1편성이고 1량당 6개의 대차와 12대의 선형 유도전동기를 갖는다. 열차의 구성은

Fig. 1을 통해 확인할 수 있다.

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.

2

41.68

3.54 for 0 V 20[km/h]

18.22 0.074 for V 20[km/h]

1.652 0.552

1[kg/ton]

c m a t

c c

m

m

a

t

R R R R RR NR W VR V W

R N VR

(1)

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

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.

Fig. 2 Schematic of high speed MAGLEV

12극의 77슬롯을 갖고 있고 기저 속도는 90[km/h](25[m/s])이다. 자기부상 열차의 컨셉이기

때문이 수상 상태를 고려하여 공극은 12[mm]로 책정하고, 운전 주파수에 영향을 미치는 극간

격은 192.6[mm]이다.

2.2.2 인버터 시스템

Fig. 3은 6대차 자기부상 열차의 선형유도전동기의 운영 시스템을 보여주고 있다. 선형 유도

전동기를 구동하기 위한 가선 전압은 1500[Vdc]이고 3상 인버터를 이용하여 구동을 한다고 가

정하면 2P6S시스템은 123[Vmax], 2P3S시스템은 245[Vmax]를 입력 전원으로 사용할 수 있다.

선형유도전동기를 구동하기 위한 입력 전압은 기기 내부의 유기 기전력과 아주 밀접한 관련이

있다. 유기 기전력은 속도가 높아질수록 크기가 커지게 되고 이 크기가 입력 전압보다 커지게

되면 전류가 역류하여 발전기로 구동되게 된다. 전동기 구동 시스템에서는 속도의 증가에 비

례하여 커지는 유기 기전력에 비해 인가전압의 크기를 높이는 것에 한계가 있기 때문에,

200[km/h]급 중고속 자기부상열차 추진을 위해서는 전압의 이용률을 높일 수 있는 2P3S시템으

을 선정하였다.

2.2.3 2D FEM을 이용한 선형 유도 전동기의 정격 특성 해석

선형 유도전동기의 해석을 위해서는 선형 모델을 2D로 직접 모델링 하여 추력 및 부상력을

해석하는 방법이 있고, 해석 시간 및 안정성을 고려하여 매우 큰 원통형 모델로 근사화 하여

해석하는 방법이 있다. 본 논문에서는 정격 추력과 슬립에 따른 추력 및 부상력 해석은 선형

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)

Fig. 3 6 Inverter configuration of six-bogie system

모델로 해석 하였고, 전동기의 능력 곡선은 매우 많은 횟수의 해석을 요하기 때문에 원통형

모델로 근사화 하여 해석을 실시하였다.

Fig. 4는 초기 설계된 선형유도전동기의 정격 특성 해석 결과이다. 245[Vmax]를 입력전압으로

설정하여 해석한 결과로서, 코일의 점적률은 60[%]로 선정하고 기저속도인 90[km/h] 지점에

서 정격 해석을 실시하였다. 정격해석의 입력 주파수는 극피치와 직선 운동 속도와의 관계에

서 슬립 주파수를 고려하여 선정하였는데, 본 해석에서는 12.5[Hz]를 슬립 주파수로 선정하였

다. 해석결과 정격 추력은 4.17[kN]으로 요구추력보다 30[%]높게 나왔고, 전류 밀도는

4.95[A/mm2]으로 초기 설계의 유효성을 확인할 수 있다.

Fig. 5는 슬립 주파수에 따른 추력 및 수직력 특성해석 결과이다. 자기부상열차는 자기적 힘

을 이용하여 레일에서 부상을 한 다음 움직이기 때문에, 선형유도전동기의 수직력의 크기는

열차의 부상 제어에서 아주 큰 영향을 미치는 파라미터가 된다. 두 결과값 모두 비선형적 특

성을 보이고 있고 적정 지점을 결정하는 것이 선형 유도전동기의 설계 및 운전에서 중요한 포

인트가 된다. 본 논문에서는 12.5[Hz]를 정격 슬립 주파수로 선정하였다.

0 50 100 150 200 250

-10

-5

0

5

10

Thr

ust F

orce

(kN

)

Time (ms.)

Thrust Force (kN) @ 90km/h

Fig. 4 Steady state characterization of LIM

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22-20

-15

-10

-5

0

5

Thr

ust &

Nor

mal

For

ce [

kN]

Slip Frequency [Hz]

Thrust Normal Force

Fig. 5 Comparison of thrust and normal force by slip frequency.

2.2.4 선형 유도전동기의 능력 곡선 도출

Fig. 6은 설계된 선형 유도전동기의 능력곡선 도출을 위한 해석 결과를 보여주고 있다. 일정

추력 영역의 해석 결과인 (a)그래프를 보면 기저 속도인 90[km/h]까지 요구추력 3.1[kN]이상

인 3.4[kN]까지 운전 가능한 결과를 보여주고 있고, 특성 영역 해석결과인 (b)그래프 또한 최

고 스피드인 200[km/h]까지 가속이 가능한 결과를 확인할 수 있다.

3. 결 론

본 논문은 200[km/h]급 자기부상 열차의 추진용 선형 유도전동기의 설계에 대한 연구를 다루었다. 열차의 기계적 사양을 바탕으로 주행저항을 선정하고 이에 만족하는 운전 능력을 갖는 선형 유도전동기를 설계하였다. 슬립 주파수를 고려한 특성 해석과 정격 추력 특성을 해석하여 정격 운전특성을 확인하고 정격 추력영역과 특성영역의 해석을 통해 설계의 타당성을 확인하였다. 차후 정밀해석을 통해 최적화 설계안을 도출하여 최고 효율 설계를 진행할 것이다.

후 기

본 연구는 국도교통부 철도기술연구사업의 연구비 지원(14RTRP-A069839-02)에 의해 수행되었습니다.

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.

(a) (b)

Fig. 6 (a) Characteristic analysis results of constant thrust region. (b) Characteristic analysis results of constant power region.