| 1차년도 |
① 주관연구개발기관 (㈜다원시스)○ 추진제어장치 1차 시작품 설계 및 제작○ 개발품 성능 검증을 위한 테스트베드 설계○ PMa-SynRM 기반 주행 시스템의 제어기법 (전력전자 분야 전문가 활용)② 공동연구개발기관 (한국전기연구원)○ 150kW급 고속철도용 영구자석 동기전동기 축소형 모델 개발③ 공동연구개발기관 (㈜우진산전)○ 추진제어장치 기본 설계④ 공동연구개발기관 (㈜큰날개)○ 시스템 개념수립, 자료조사 및 검토○ RAMS 목표수립 및 RAMS Plan 작성⑤ 공동연구개발기관 (하이젠모터㈜)○ 고속철도용 영구자석 동기전동기 IP 구조 및 냉각구조 설계⑥ 공동연구개발기관 (㈜지이엠)○ 축소형 고속철도용 영구자석 동기전동기 회전자 개발⑦ 공동연구개발기관 (동아대학교)○ 3상 및 다상 추진 시스템의 기술분석 및 장단점 비교
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① 주관연구개발기관 (㈜다원시스)○ 고속철도 및 도시철도차량 추진제어장치 선행 적용 사례 분석 및 활용방안 모색 - 고속철도용 추진제어시스템 관련한 논문 및 특허 조사 - 사업단을 통한 개발목표 EMU 차량 기준 데이터 확보○ 460kW급 1C1M 1채널 추진제어장치(1차 시작품) 설계 및 제작 - PSIM 시뮬레이션을 통한 기초설계 적합성 검증 및 사양 확정 - SiC 특성 분석 - 양산성을 고려한 FPGA 기반의 추진제어장치 제어기 기본 설계○ 개발품 성능 검증을 위한 테스트베드 설계 - 기 구축되어있는 시험 시설을 활용한 테스트베드 구축방안 모색 - 주변압기, 전동기 특성 분석을 위한 다이나모 구성 및 UI 구성 방안 수립 - 개발품의 성능 검증 파라미터를 고려한 테스트베드 최적설계 방안 도출○ 철도차량 추진제어 시스템 선행기술 검토 및 기존연구사례 분석 (전력전자 분야 전문가 활용)○ PMa-SynRM 추진시스템 모델링 및 토크 제어 기법 (약자속 제어, MTPA) (전력전자 분야 전문가 활용)○ 손실 저감을 위한 인버터 제어 기법 (전력전자 분야 전문가 활용)○ 시뮬레이션 검증 및 테스트 장비 구축 (전력전자 분야 전문가 활용② 공동연구개발기관 (한국전기연구원)○ 고속철도용 추진전동기 기술동향 분석 - 국내외 고속철도용 추진전동기 설계 및 제작관련 기술수준 분석 - 희토류 저감형 동기전동기 관련한 국내외 논문 및 특허 분석을 통한 연구동향 파악○ 150kW급 고속철도용 영구자석 동기전동기(축소형) 설계 - 희토류 저감형 동기전동기 토폴로지 검토 (IPM, PMa-SynRM, CPSPMSM 등) - 고속철도용 영구자석 동기전동기 설계조건 (전압, 전류 및 사이즈, 운전조건 등) 검토 - 고속철도용 영구자석 동기전동기 기본설계 및 상세설계 - 고속철도용 영구자석 동기전동기 냉각방식 검토 및 선정 - 고속철도용 영구자석 동기전동기 열 전달계수를 이용한 열특성 해석③ 공동연구개발기관 (㈜우진산전)○ 추진제어장치 기본설계○ 추진제어장치 목표사양 설정④ 공동연구개발기관 (㈜큰날개)○ 시스템 개념수립, 자료조사 및 검토 - 관련 시스템과 유사 시스템의 타 과제에 대한 요구사항 및 관련 기준서 검토 - 시스템 개발 계획서 등 자료 검토 - 주관기관에서 작성하는 시스템 구성도 및 설계 초안을 바탕으로 sub-system 항목 정리○ RAMS 목표수립 및 RAMS Plan 작성 - 유사 시스템의 RAMS 결과 및 유사 시스템의 타 시스템 요구사항 등을 정리하여 RAMS 목표값 설정 - 관련 기준서 조사⑤ 공동연구개발기관 (하이젠모터㈜)○ 고속철도용 영구자석 동기전동기 IP54 구조 설계 - 해외 IP54 구조 적용사례 조사, 분석○ 고속철도용 영구자석 동기전동기 냉각방식 설계 검토 - 적용가능 냉각구조 조사 및 비교 분석○ 고속철도용 영구자석 동기전동기 축소형 모델 제작○ 동기전동기 시험용 지그 및 커플링 설계 및 제작⑥ 공동연구개발기관 (㈜지이엠)○ 150kW급 고속철도용 영구자석 동기전동기 개발을 위한 소재별 특성 분석 - 전기강판 종류별 기계적 특성 비교 분석 - 영구자석 종류별 특성 비교 분석 - 몰딩 소재 자료 조사○ 150kW급 고속철도용 영구자석 동기전동기 열특성해석 및 회전체 구조 해석 - 고속철도용 영구자석 동기전동기 원심력 구조해석 및 회전체 진동해석 - 고속철도용 영구자석 동기전동기 냉각구조 검토 및 열유동 해석○ 150kW급 고속철도용 영구자석 동기전동기 회전체 제작기술 개발 - 영구자석 동기전동기 회전자용 코어 제작 - 영구자석 동기전동기 회전자 Ass’y 제작○ 특성 시험 및 분석 - 고정자 온도 분석 - 냉각수 또는 냉각공기 온도 분석⑦ 공동연구개발기관 (동아대학교)○ 다상 추진시스템 국내외 기술동향 분석○ 고속철도용 3상 및 다상시스템에 따른 전동기 장단점 비교○ 다상시스템의 권선구성 및 신뢰성 확보방안 조사 및 비교 분석○ 영구자석 분석 및 선정
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
○ 고속철도 시스템의 구동환경과 제약사항을 고려한 상용화 수준의 전동기 설계 기술개발, 고속 운전용 전동기 설계 및 제작 know-how 습득○ 철도차량 대비 고도의 EV, HEV 분야의 전동기 및 냉각 시스템 설계 기술을 접목한 고효율 · 고출력밀도화가 가능한 희토류 저감형 영구자석 동기전동기 및 추진 제어장치를 적용한 철도차량의 성능 향상 가능○ 영구자석 보조형 릴럭턴스 동기전동기의 자기회로 및 권선법에 대한 최적 설계 기술 확보를 통해 기존 유도전동기와 비교하여 고정자 외경 및 적층 길이를 저감할 수 있으며 부피와 중량을 약 20% 저감 가능 - 전폐형 전동기 설계 기술 확보를 통한 기존의 유도전동기 시스템 대비 출력밀도가 약 20% 증가, 유지보수성 감소, 철도차량용 냉각 시스템 설계 기술 확보 가능 - 매입형 영구자석 동기전동기 대기 상대적으로 연구개발이 미흡한 영구자석 보조형 릴럭턴스 동기전동기에 대한 연구를 심도 있게 진행함으로써 희토류 저감형 전동기에 대한 원천기술 확보 가능 - 현재 양산중인 산업용 전동기의 세계 최고 수준과 동일한 효율수준인 슈퍼 프리미엄 효을 산업용 전동기의 국내자체 설계 및 생산 기술력 확보 - 다중 물리계(Multi-Physics) 해석 기술 확보를 통한 희토류 저감형 전동기 융합 설계 기술력 확보가 가능하며, 이를 통한 국내 전동기 산업의 신개념 설계 및 제작 기술력 확보○ 설계된 희토류 저감형 전동기 및 추진 시스템을 제작하여 성능검증을 위한 인증시험평가 및 기술이전 실시를 통해 국내 중소·중견기업의 전동기 및 추진 시스템 기술경쟁력 확보 필요○ 국내·외 학술대회 참가 및 논문투고를 통해 연구내용 및 기술 확산
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| 사회 경제적 파급효과 |
○ 경제적 측면 - 기존의 반폐형 견인전동기가 가지고 있는 유지보수 문제 해결이 가능하여 경제적인 추진시스템 구축 가능 - 고출력밀도화 설계 기술을 통해 철도차량의 하중 저감이 가능하고, 이로 인한 인프라 시공 및 유지보수 비용 저감 가능 - 본 기술은 높은 에너지 효율과 제작의 용이성, 우수한 제어성 등으로 인해 현재의 인버터를 사용하는 유도전동기 시장의 대체 가능 - 철도산업은 장기간(25~30년)의 품질안전 확보, 사후관리가 중요한 산업으로써 건실한 부품 공급망 및 산업생태계 구축. 그에 따른 유지보수용 부품 적기 수급 및 과다한 구매비 지출 방지 - KTX 제어장치는 도입(‘05) 시 가격에 비해 19배 상승 (’05년 1천만원 → ‘16년 1억 9천) - 2026~2040년까지 동력분산식 고속차량 도입 시 발생하는 신규시장매출액은 약 1.184억원(연간 약 78.9억원)으로 본 기술을 활용한 국내 고속차량 시장 진입 경쟁력 확보 가능 - 전동기의 자기회로 최적화 설계법을 통해 핵심기술을 확보 가능할 것으로 기대되며, 확보된 핵심기술의 변형 등을 통해 타 산업에서도 활용 가능 - 향후 상용 전기차(버스, 트럭 등)에 활용이 가능하여 양질의 일자리 창출 가능 - 희토류계 영구자석 사용량 저감을 통해 제작 원가를 크게 저감할 수 있으며, 이를 통해 세계 최고 수준 전동기 가격 대비 경쟁력 확보 가능 - 전기철도의 핵심인 추진시스템의 고부가가치 창출 및 해외 시장 진출 가능○ 사회적 측면 - 고속철도용 견인전동기 및 추진 시스템 시장의 기술 독점화를 방지하여 국내 철도 관련 중소·중견 기업들간의 자생적인 업계 시스템 구축 가능 - 고효율 전동기 및 추진시스템 기술에 대한 체계적이고 지속적인 연구개발을 통해 기술 수요에 효과적으로 대처하고 관련 업체의 기술경쟁력을 확보 가능 - 희토류 저감형 전동기 핵심 설계 기술 개발을 통해 국제적으로 큰 이슈가 되고 있는 중국의 희토류 자원 무기화 정책에 대응 가능 - 차세대 고효율 전동기인 SynRM의 선행 설계·제어 기술을 바탕으로, 고효율/고출력 PMa-SynRM 최적설계 기술의 이론적 확립 및 제작과 실험을 통한 생산·응용력 확보를 통해, 실증적 연구개발을 행함으로써 국내 전동기 관련 산업의 국제 경쟁력 강화 - 에너지 변환기기 중 유도전동기를 시작으로 고효율(IE2) 제품의 생산, 판매를 의무화하는 최저효율제를 2008년부터 강제 시행 중이며, 본 과제를 통한 슈퍼 프리미엄급(IE4)의 전동기의 개발로 세계적 기술 동향에 부응한 국제경쟁력 확보 가능 - 희토류 저감형 전동기의 경우 가격 경쟁력을 갖는 기술을 개발한다면 다양한 분야에서 상용되고 있는 전동기를 대체 가능 - 자동차, 전장, 가전 등 산업계에 사용되는 희토류 전동기를 전 범위로 희토류 저감형 전동기로 교체할 수 있어 전동기 분야의 산업발전에 기여 - 고속철도에 적용되는 대용량 추진시스템 관련 학계 및 산업계 전문 인력 양성, 일자리 창출
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| 활용방안 |
○ 국내 중소 전동기 제작사들의 전동기 및 추진 시스템의 고효율화에 관련한 설계 및 제작 기술이 축적되어있지 않아 실제 생산에 많은 어려움이 존재하며, 본 과제를 통해 고효율 PMA-SynRM 및 SiC-IGBT를 적용한 추진 시스템에 관련한 설계ㆍ제작ㆍ평가기술의 원천 기술로써 활용 가능○ 다중 물리계 해석(Multi-Physics) 기술 확보를 통해 시뮬레이션 단계에서의 설계 정확성 및 신뢰성 향상이 가능하고, 이를 통해 전기적 재료 기술 발전에 따른 성능 개선을 예측 할 수 있는 원천 기술로서 활용 가능○ 희토류계 영구자석 사용량 저감을 통해 제작 원가 절감이 가능하고, 이를 통해 세계 최고 수준 전동기 가격 대비 경쟁력 확보 가능 ○ PMa-SynRM 전동기의 경량화 및 효율 향상으로 기존 유도전동기 대비 약 20% 이상의 전력 소비량 절감 가능○ PMa-SynRM과 같은 고효율 전동기 및 첨단 소자(SiC Module)를 적용한 추진 시스템의 연구개발을 통해 전동기에서 발생하는 손실 저감 기술의 확보가 가능하고, 에너지 변환기기의 효율 향상올 통해 에너지를 직접적으로 절감할 수 있는 핵심적 기술로서 현재 연구 개발이 진행되고 있는 신ㆍ재생 에너지 분야의 부담을 감소할 수 있는 핵심 기술로 활용 가능 - 본 연구개발을 통해 전ㆍ후방 산업에 막대한 파급효과를 가져다 줄 뿐만 아니라, 에너지 선진국에서 시행하고 있는 여러 규제와 관련한 국제적 기술 경쟁력 확보 가능○ 설계도, 공인기관 시험성적서, 성능 비교 분석서, 개발품 등은 제작자 품질경영시스템 인증 및 제품 인증 획득 시 활용 ○ 희토류 저감형 영구자석 동기전동기 최적 설계ㆍ제작 기술 확보 및 성능검증 경험을 바탕으로 중국의 희토류 무기화에 대한 국제적 경쟁력 화보 및 해외 철도 시장 진출을 위한 국가 기술경쟁력 증가 - 본 과제를 통해 도출된 전동기 및 추진시스템의 설계도를 통해 개발 기관의 상용화 및 사업화 가능○ 노후 철도 차량 증가에 따른 교체 수요 적기 대응 - 기존 대차에 장착 가능하도록 전동기의 외함과 구동 드라이버의 외함을 수정하여, 유도전동기와 인버터를 대체 가능○ 전기에너지가 동력원인 추진시스템을 사용하는 철도 외 타 산업에도 일부 변형 등을 통해 활용 - PMa-SynRM 추진시스템은 고속철도, 도시철도 및 경전철에도 적용할 수 있는 기술로 유용하게 활용 가능 - PMa-SynRM 전동기의 적용범위를 철도시스템에서 전기선박시스템으로 확대 적용
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