| 연구개발개요 |
○ 지속적으로 성장 가능한 친환경 운송수단으로 가장 적합한 것은 철도이다. 세계화로 인한 수송거리 및 컨테이너 운송량의 증가, 원료가격과 통행료 상승에 따른 복합수송 개발비에 대한 우호적 환경 조성, 각국 철도의 통합으로 단일 운송 경쟁력의 증가 등이 그 이유이다. (2017 철도물류 국제 세미나 中)○ 2020년 전 세계 물류의 약 30 %가 동북아에서 이루어 질것으로 예상되며, 이는 더욱 가속화 될 것으로 예상된다. 이에 철도로 세계화를 유라시아 이니셔티브가 진행되고 있다.○ 도심과의 접근성 등의 이유로 운행시간 외의 시간 소모가 많고 고비용인 항공 운송에 비해, 철도의 경우, 2030년 전 세계 당일 생활권을 위한 최적의 솔루션으로 꼽히고 있다. 이를 위해 초고속 자기부상열차의 안정성 확보를 위한 기초 연구가 필요하다. 현 시점에서 이를 위한 응용연구가 시작되지 않는다면 국가 경쟁력 및 시장 선점화에 치명적이다.○ 이를 위한 열차의 고속화는 수직/수평 진동의 증가를 야기하고, 이는 최근 SRT에서 문제가 되고 있다. 이를 위해, 초고속화 및 진동 저감을 위해 자기부상열차의 실용화가 절실히 요구된다. 이러한 열차의 초고속화 속에서, 그림 1과 같이 외부 환경에 의한 외란의 영향이 증가하여 진동이 증가하며, 작은 양의 진동이라도 초고속 시스템의 안정성에 큰 문제를 야기할 수 있다. ○ 초고속 자기부상열차의 수평진동은 수직방향은 자기부상 특성에도 문제를 일으키며, 수직진동변화는 수평방향의 유도 특성 변화를 발생 시키므로, 수직/수평 무진동 기술확보가 필수적이다.
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| 최종목표 |
초고속 자기부상열차를 구현하기 위한 추진 방법인 LSM 방식으로 인해 발생하는 구조적인 특성인 수직/수평 진동을 규명하고, 이것이 자기부상열차의 동특성 및 승차감에 미치는 영향을 분석한다. 이를 바탕으로, 자기부상열차의 승차감을 향상 시킬 수 있는 부상력 및 가이드력 발생 장치의 전자기 댐퍼의 설계를 한다. 또한 열차의 속도, 선로의 곡률, 자기장의 불균일성을 고려하여 열차에 들어오는 가진을 최소화 하여 승차감을 높이고자 한다.최종적으로, 곡선주로에서 기존 승차감과 안정성을 확보하는 수준에서 최대속도 대비 80%의 속도를 낼 수 있는 개선안을 내고자 한다.
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| 연구내용 및 범위 |
본 연구의 핵심 기술은 전자기-구조-다물체 동역학 시뮬레이션 연성을 통한 열차의 진동의 예측이다. 열차에 전달되는 가진력을 모사하기 위해서는 전자기-구조 연성 해석이 필요하다. 자기 흡인&반발력을 발생시키는 전자기 모델이 필요하고 그 힘의 크기는 자성체간 간극에 따라 변화하기 때문에 대차와 선로의 시간 이력 거동을 예측하여야 한다. 이를 위해 전자기-구조 연성 해석 모델이 필요하다. 최종적으로 앞서 구축한 모델에서 얻은 시간 이력 입력을 전체 다물체 동역학 시뮬레이션 모델에 입력하여 최종적인 열차의 거동을 예측하고자 한다. 예측 모델을 바탕으로 수직/수평 진동의 최대량을 분석하고 이를 기반으로 안정성을 고려한 최대 진동량을 설정하고자 한다. 또한 제시한 기준과 예측 모델을 바탕으로 안정성을 확보한 개선 모델을 제안하고자 한다. 이를 위해여 본 연구팀은 각 분야에 전문가로 구성되었다. ▶ LSM 추진방식으로 인해 생성되는 주기적인 자기력과 자기부상열차에서 발생하는 진동간의 상관관계를 규명하기 위한 전자기-구조 연성 해석 모델을 구축한다.▶ 구축된 연성해석 모델을 바탕으로, 열차의 수직/수평 방향의 진동을 해석한다. 이에 고려되어야 할 사항으로는, 열차의 속도와 궤도의 곡률, 자기장의 불균일성 등이 있다.▶ LSM 추진방식으로 인한 전자력이 자기부상열차의 대차에 야기하는 진동 수준을 확인하고, 이를 감소시키기 위한 추진체의 설계 개선안을 제시한다. 개선된 추진체를 통해 수직/수평 방향의 진동을 감소시킨다. 그 방법으로 앞서 언급한 인자에 따른 추진체의 자기회로 최적화이다.▶ 부상과 가이드에서의 자기 현가장치의 설계를 통하여 대차에 1차적으로 들어오는 진동을 저감시키고자 한다. 자기 스프링 값은 충분한 부상 및 가이드력을 형성하기 위해서는 조절하기 힘들고 필요한 자기 댐핑 값을 도출해내고 이를 도입하여 대차 자체의 진동을 저감시키고자 한다.▶ 개선된 추진체와 자기 댐핑을 바탕으로 감소된 진동 특성을 자기부상열차의 대차에 인가하여, 열차 레벨에서의 수직/수평방향 진동을 평가할 수 있다. 이를 바탕으로, 열차가 최고 속도로 운행될 때의 객차 내부의 진동특성을 파악하고, 안정화된 운행속도를 제안할 수 있다.본 연구를 통해 얻어지는 최종성과물은, 추진체와 열차사이의 전자기-구조 연성해석을 바탕으로 열차 내부에서의 수직/수평 진동 특성을 파악하고, 개선안을 제안할 수 있다는데 있다. 하지만, 실제 자기부상열차에서의 검증 단계가 필요하다는 한계점이 있을 수 있다. 이 부분의 경우, 축적된 추진체와 열차사이의 전자기-구조 연성해석 능력을 바탕으로 철도기술연구원등과의 협력을 통하여 검증하고 개선된 진동특성을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
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