R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151867-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 철도차량용 무기어 추진시스템 구현을 위한 2중 회전자 구조 동기전동기(DR-PMSM) 핵심기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 박찬배 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
8명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 206,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한국교통대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | 979-11-958736-9-2 | |||||
| 주요 내용 |
○ 최근 철도차량의 경량화 및 저상화 연구가 활발해지면서 철도차량 구동장치용 견인전동기의 동급 소형화를 위한 설계는 다른 전장품보다 우선 고려 대상임 ○ 철도 차량별로 대차 하부 공간의 차이가 있기 때문에 구동장치의 구조나 사이즈가 각각 다름 ○ 국내 최초의 철도차량용 DR-PMSM에 대한 연구이기 때문에 철도차량용 견인전동기 용량이 가장 작은 트램용을 먼저 검토하려함 ○ 기존 트램용 견인전동기의 경우 45kW급 유도전동기이며, 기어비가 6.29인 기계식 수직 1단 감속기를 채용하고 있음. 이를 대체하기 위한 비접촉 방식의 감속기와 견인전동기가 일체화된 DR-PMSM의 원천기술을 개발하고자 함 ○ 따라서 본 연구의 최종 성과물은 DR-PMSM의 이론적 아이디어를 철도차량 구동용 견인전동기에 적용하기 위한 설계 기술(안)이며, 설계 기술의 검증을 위해 축소형 DR-PMSM/구동 Drive 샘플 제작 및 성능 시험/평가의 단계가 필요함 - 실모델 DR-PMSM의 출력 : 45kW급 - 실모델 DR-PMSM의 1차측과 2차측의 회전수 비 : 9.2 - 기존 유도전동기의 최대 회전수는 4100rpm이었으나, PMSM의 경우 유도전동기 대비 고속 회전에 유리하기 때문에 최대 회전수를 6000rpm으로 선정하면 DR-PMSM의 1차측 회전자와 2차측 회전자의 회전수 비는 9.2가 적당함 - 간이부하장치 활용 토크 및 회전수 등의 성능시험을 통해 DR-PMSM의 철도차량 구동시스템으로의 적용(안) 및 성능 평가 기술을 도출할 것임 [최종목표] ○ 철도차량용 무기어 추진시스템 구현을 위한 비접촉 방식의 감속기와 견인전동기가 일체화된 2중 회전자 구조 동기전동기(DR-PMSM)의 원천기술 개발 1. 비접촉 방식의 무기어 감속기 기능이 내재된 DR-PMSM 원천기술 개발 - 실모델 출력 45kW급, 효율 92% 이상, 저속부 토크 720Nm, 저속부 속도 600rpm 2. 기존 IPMSM 제어방법에서 개선된 DR-PMSM 전용 제어 알고리즘의 연구 및 개발 3. 설계 기법 및 제어기술 검증을 위한 시뮬레이션 및 축소형 시제품 제작 - 축소형 모델 출력 4.5kW급, 효율 92% 이상, 저속부 토크 72Nm, 저속부 속도 600rpm 4. DR-PMSM 성능 평가 기술 확보 [연구내용 및 범위] ○ 1차년도 연구내용 및 범위 1. 비접촉 방식의 감속기와 견인전동기가 일체화된 2중 회전자 구조 동기전동기(DR-PMSM) 설계 관련 선행연구 사례조사 - 전기추진시스템 분야의 DR-PMSM 및 성능평가 관련 선행기술 조사 및 분석(관련 특허/논문/시장 조사 등) 2. DR-PMSM 설계 기법 연구 및 정립 - DR-PMSM의 형상 도출을 위한 기본설계 기법 연구 - DR-PMSM 특성 분석을 위한 해석 기법 연구 3. 설계기법 적용 45kW급 DR-PMSM 기본/상세 설계 - 45kW급 DR-PMSM의 기본 설계 - 최적화 설계 기법을 적용한 45kW급 DR-PMSM의 상세 설계 - 45kW급 DR-PMSM 상세설계 모델의 냉각 성능 검토 연구 4. DR-PMSM 제어 사례 선행 연구 조사 - 다양한 분야의 DR-PMSM 제어 적용 사례 조사 및 분석(관련 논문 및 성능평가 자료 등) 5. 45kW급 DR-PMSM 구동용 제어기 및 제어 알고리즘 연구 - IPMSM 제어 이론을 바탕으로 구동 시스템의 수학적 모델링 - 벡터 전류 제어를 적용한 순시 토크 제어 알고리즘 모델링 - 상용 해석 Tool을 활용한 DR-PMSM의 순시 토크 제어 및 성능 확인 ○ 2차년도 연구내용 및 범위 1. 설계 기법 검증을 위한 축소형 DR-PMSM 및 구동용 Drive 시제품 제작 - 축소형 DR-PMSM 시제품의 기본/상세 설계 - 축소형 DR-PMSM 시제품 제작 - 축소형 DR-PMSM의 구동을 위한 인버터 파트 및 3상 Drive 파트 시제품 제작 2. 축소형 DR-PMSM의 구동을 위한 제어보드 검증 - 제어보드의 회로 분석을 통한 신호처리, 데이터통신 성능 검증 3. 축소형 DR-PMSM용 제어 알고리즘 적용 및 구동 테스트 - 실제 구동 환경을 고려한 시뮬레이션을 구성하여 제어 알고리즘 검토 - 축소형 DR-PMSM용 제어 알고리즘 구현 및 적용 - 간이부하장치를 활용하여 조합 시험 실시 및 축소형 DR-PMSM용 제어 알고리즘 검증 - 알고리즘 보완 및 보완 사항 적용 4. 45kW급 DR-PMSM의 부하장치 활용 성능 평가 방안 도출 - 45kW급 DR-PMSM의 성능 평가 항목 도출 - 45kW급 DR-PMSM의 부하장치 활용 성능 평가 방안 연구 5. 축소형 DR-PMSM 및 구동용 Drive 시제품의 조합 성능 평가 연구 - 간이부하장치 설계 및 제작 - 간이부하장치를 활용한 축소형 DR-PMSM와 Drive의 조합 성능 평가 수행(정격 및 부하 변동 조건에서의 1차/2차 회전자 측의 회전수 및 토크 검출 시험) 6. 45kW급 DR-PMSM 보완 기술 도출 - 축소형 DR-PMSM 시제품 성능 평가 후 설계 기법 보완 사항 도출 - 45kW급 DR-PMSM 최종 설계(안) 도출 |
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| 색인어 | 한글 | 2중 회전자 | 무기어 | 영구자석형 동기전동기 | 폴피스 | 철도차량 |
| 영문 | Dual-rotor | Gear-free | Permanent magnet synchronous motor | Pole-piece | Railway vehicle | |
| 최종보고서 | 01. 연구개발 최종보고서ㆍ요약서_FINAL.pdf | |||||