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과제기본정보

철도차량용 무기어 추진시스템 구현을 위한 2중 회전자 구조 동기전동기(DR-PMSM) 핵심기술 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 19CTAP-C151867-01
국가과학표준분류 1순위 기계 | 자동차 철도차량 | 철도차량 추진 제어기술 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 None | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 None | None | None 과제유형 응용
과제명 철도차량용 무기어 추진시스템 구현을 위한 2중 회전자 구조 동기전동기(DR-PMSM) 핵심기술 개발
주관연구기관 한국교통대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박찬배
소속 국립한국교통대학교산학협력단 직위 교수
기관 대표번호 031-460-0640 FAX 031-462-8807
총 연구기간 2019-04-15 ~ 2020-12-31
당해연도 연구기간 2019-04-15 ~ 2019-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 164,000,000 0 0 0 164,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 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
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 1. DR-PMSM 설계 관련 선행연구 사례조사
2. DR-PMSM 설계 기법 연구 및 정립
3. 설계기법 적용 45kW급 DR-PMSM 기본/상세 설계
4. DR-PMSM 제어 사례 선행연구 조사
5. 45kW급 DR-PMSM 구동용 제어기 및 제어 알고리즘 연구
6. 축소형 DR-PMSM 구동용 Drive 시제품 제작 발주 		1. 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
연구성과 기술적 기대성과 1. DR-PMSM는 비접촉 방식의 감속기가 일체화된 시스템으로써, 기존 철도차량용 구동시스템 대비 소형 경량화된 시스템 구축이 가능
2. DR-PMSM의 적용을 통하여 대차 및 차륜 등 지지구조물의 크기, 강도 저감이 가능하며, 전체적인 차량의 저상화 및 경량화를 통해 전체 차량시스템 효율 증대 가능
3. 선진국 주도의 DR-PMSM 기술 종속 탈피 및 독자적 기술 확보
4. 체계적 기술개발을 통한 연구 효율성 향상
5. 철도산업의 신수요 창출 및 관련 산업으로의 기술 파급
6. DR-PMSM 핵심 요소 기술 확보
7. 미래 신교통시스템용 친환경 추진시스템 구축을 위한 기반 기술의 확보
사회 경제적 파급효과 ○ 사회적 파급효과
1. 각종 산업 현장에서 전동기와 기계식 기어를 함께 사용하고 있는 부분이 많이 존재함. 이러한 부분에 DR-PMSM 적용을 통한 관련 설비 소형화 및 고효율화 가능
2. DR-PMSM 설계 및 제어 기술 향상과 더불어 관련 전자제어 산업의 파급효과 기대
3. 견인전동기 및 전장품, 감속기 관련 설계/제어/시험평가 전문인력 양성
4. 학계 및 산업계 대용량 철도 추진시스템 관련 인력 확충
5. 산업계 기술이전에 의한 산업지원
6. 국산화 개발을 통한 유지보수 비용 절감
7. 향후 상용전기차(버스, 트럭 등)에 활용 가능

○ 경제적 파급효과
1. 철도차량용 구동장치 부분의 신규 매출 확보 : DR-PMSM 적용에 따라 전기철도의 핵심인 추진시스템의 고도화에 의한 신규 고부가가치 창출 및 관련 기술의 해외 수출 시 경쟁력 강화
2. 기존의 기계식 감속기가 가지고 있는 유지보수 문제 해결이 가능하여 경제적인 추진시스템 구축이 가능
3. 시스템 효율 향상 및 기계적 중량 저감을 통한 에너지 절약형 시스템 구축 가능
4. 종래기술과 응용기술의 융합으로 시너지효과 창출
5. 정부의 철도망 확충 및 녹색교통과 연계 시너지효과 극대화
6. 철도차량업체의 인력 고용 향상과 경기부양 효과 기대
활용방안 ○ 미래 신교통시스템용 친환경 추진시스템 구축을 위한 기반 기술의 확보
1. 철도 교통 분야 미래 신성장 동력 창출
2. 본 연구를 통한 비접촉 방식의 감속기와 견인전동기가 일체화된 DR-PMSM의 핵심 기술 확보 및 기존의 45kW급 경전철 차량(트램)용 친환경 추진시스템으로의 적용을 위한 실용화 사업에 활용
3. 추가적으로 200kW급 이상의 도시철도 차량 및 고속철도 차량용 추진시스템에 적용하기 실용화 사업 기획에 활용
4. DR-PMSM 기술의 해외 수출 및 세계 시장 개척
5. DR-PMSM 설계파라미터, 관련데이터 축적 및 특허, 노하우 확보
6. DR-PMSM 적용 고출력밀도 추진시스템 설계/제어 요소 기술 및 툴 개발에 활용
7. DR-PMSM 핵심기술의 개발을 통하여 상용화를 위한 국가 R&D 사업 도출
8. 철도차량 제작업체 및 수요처에 기술 이전
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 2중 회전자 무기어 영구자석형 동기전동기 폴피스 철도차량
영문 Dual-rotor Gear-free Permanent magnet synchronous motor Pole-piece Railway vehicle
최종보고서
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