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과제기본정보

동력분산식 고속철도 차량용 냉각팬 시스템 개발1년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 철도차량부품개발사업 과제번호 21RSCD-C162366-01
국가과학표준분류 1순위 화학공정 | None | None 적용분야 제조업(자동차 및 운송장비)
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 개발
과제명 동력분산식 고속철도 차량용 냉각팬 시스템 개발
주관연구기관 경진부로아(주)
총괄연구 책임자 성명 한석현
소속 경진부로아(주) 직위 연구소장
기관 대표번호 032-814-7100 FAX 032-814-6327
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2024-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
1차년도 624,000,000 15,600,000 139,200,000 154,800,000 778,800,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 열차를 고속으로 달릴 수 있게 하는 가장 중요한 장치는 동력시스템이다. 고속열차의 동력시스템은 구성 방식에 따라 크게 동력집중식(Concentrative Power Type)과 동력분산식(Distributed Power Type)으로 나뉨.
○ 동력집중식은 KTX, KTX-산천과 같이 열차의 동력을 열차의 일부 위치, 즉 별도의 동력차에 집중 배치하여 열차를 견인하는 방식을 말함. 동력차는 전체 열차 편성의 전·후부 또는 전부에 위치함. 동력집중식은 큰 추진력을 얻기 위해 동력차에 대용량의 추진시스템을 집중 설치하여 구성이 단순하며, 부품수가 비교적 적고, 차량의 유지·보수가 편리함. 반면, 가속성능이 낮으며, 궤도에 부담을 주어 유지·보수 비용이 증가함.
○ 차세대 고속차량의 견인전동기는 기존 KTX-산천은 1,100kW급 8대에서 HEMU-600x 신조 개발됨으로 410kW급 20대로 숫자가 2배 이상 증가하였으며, 견인전동기의 취부가 기존의 별도 동력객차에서 동력분산식 객차의 하부에 취부됨으로 설치 공간의 협소로 고정압, 고성능의 냉각시스템의 개발을 위해서는 핵심 기술의 개발이 필요함.
최종목표 ○ 고장 진단이 가능한 동력분산식 고속철도 차량용 하이브리드 고정압 냉각시스템 개발
- 냉각성능 향상 기술 (경진부로아)
① 열확산 경량 방열 모터 케이싱 설계 기술
- 알루미늄 다이캐스팅 합금 중 방열 특성이 우수한 순 알루미늄은 우수한 열전도도 특성 (234W/m？K)을 가지지만, 주조 후 발생하는 제품 변형 및 가공이 어려운 문제점을 가지고 있음. 현재 사용하고 있는 Al-Si-Cu계 다이캐스팅 합금은 주조성이 우수하고 가공이 쉬워 널리 쓰이나 낮은 방열특성(96W/m？K, 순알루미늄 대비 41%)을 가지므로 경량, 고방열 부품·소재에 적합하지 않은 단점이 있어 고열전도율 다이캐스팅 합금을 적용한 방열 케이싱 설계 기술이 필요
② 유로 저항 개선을 통한 고정압 홴블로워 설계 기술
- 기존 홴 블로워는 금속 재질로 개발됨으로 유동효율과 소음을 고려한 홴블로워의 개발이 어려우나 비금속 재질로 개발하여 유동효율을 고려한 홴 블로워 개발이 필요
- 송풍팬 경량화 (바스텍)
③ 하이브리드 경량화 홴블로워 제작기술
- 탄소재질의 블래이드와 비철 재질의 코어를 적용한 하이브리드 타입의 고정압 경량 홴블러워 개발이 필요하며, 블로워 표면 피니싱 처리기술 개발을 통한 블로워 표면 오염 발생 억제 기술을 적용함으로 모보수 운전이 가능한 홴블로워 기술 개발이 필요
- 상태감시 기술 개발 (엠씨테크놀로지)
④ 냉각시스템 구동용 유도 전동기의 결함검출 기술
- 분해정비주기(300만km) 이내 송풍 전동기와 홴의 고장이나 손상에 의한 차량 장애 발생시 여객 운임에 많은 차질이 발생함으로 고장을 사전에 예측할 수 있는 시스템이 필요함. 권선 고장은 대부분 절연 파괴와 관계가 있음. 권선의 턴(turn) 고장은 발견하기 힘든 고장중 하나이며, 턴 고장이 발생하면 일정 기간 동안은 동작할 것이나 곧 더 큰 고장으로 발전하게 될 것임. 따라서, 치명적인 고장을 막기 위해서는 온-라인 진단 기술을 통해 초기에 고장을 진단할 수 있는 모터의 주파수 분석에 의한 알고리즘을 개발함으로써 상기한 고장모드 사전진단 알고리즘 적용이 필요
- 냉각팬 설계 및 해석 지원 (인천TP)
- 개발품 성능시험 및 신뢰성 확보 (KTL)
연구내용 및 범위 ○ 냉각성능 향상 기술 (경진부로아)
- 최적 냉각팬 구조 설계 및 자체 냉각기능 설계
- 국내 고속철도는 운행 특성 상 잦은 가감속에 따른 부하가 송풍팬에 발생함. 따라서 적절한 임펠러 선정은 송풍팬 시스템 구성에 핵심 요소임. 임펠러는 시로코, 익형, 크로스 팬, 백워드 등 모양에 따라 공력적 특성이 다름. 임펠러 선정은 정압, 풍량, 강도에 따라 선정.
- 전동기 외함 소재 다변화를 통한 경량화
- 현차에 장착되어 임펠러를 지지해줄 하우징의 구조를 검토. 실차의 공간적 사양을 검토하여 설계한 임펠러와 맞는 하우징의 구조를 점검. 디지털 설계 검증(Digital Pre-Assembly)을 통해 조립성, 구조적 안전성 등을 확인하고 설계 사양을 확정
- 요구 사항 분석을 바탕으로 설계된 임펠러 및 하우징 일체의 공력성능 검증을 위해 유동해석을 수행함.
- 유동해석 결과를 분석하여 공력 성능을 검증하고 설계 변경으로 개선된 성능 도출을 수행. 설계 개선을 수행하고 요구 성능에 근사한 공력해석 결과로 설계의 신뢰성을 검증
○ 송풍팬 경량화 (바스텍)
- 송풍팬 소재 다변화를 통한 구성품 경량화
- 주변압기, 전력변환장치, 보조전원장치, 견인전동기의 각 장치별 냉각팬 시스템 운용 환경에 적합한 탄소섬유 재질을 확정하기 위해 여러 종의 탄소 섬유 검토
- 송풍팬 성능 효율 향상을 위한 블레이드 설계 기술
○ 상태감시 기술 개발 (엠씨테크놀로지)
- 가속도센서와 필터 조합의 감시시스템 구성
- 센서 기반의 결함 검출회로에서 적용가능한 센서류는 모터의 고정자등 코일등에서 발생하는 열을 감지하여 모터의 과부하, 코일의 상태등을 감지할 수 있는 온도센서, 모터 또는 팬등에서 발생하는 음파 또는 소음을 감지할 수 있는 압전형 마이크로폰, 외부로 전달되어 지는 기계적 진동과 관성 등을 측정할 수 있는 가속도 센서 등을 조합하여 결함 검출회로 설계하고자 함.
- 유도전동기의 결함을 분석하는데 전류측정 방법을 이용하는데 있어서 전동기의 등가회로를 통해 회전자봉 결함 및 정렬불량 에 대한 주파수 성분의 분석에 대한 알고리즘과 검출장치 등을 다음과 같이 개발할 계획임.
- 차량컴퓨터장치와 실시간 상호통신 모니터링 기술
○ 냉각팬 설계 및 해석과 시제품 제작 지원 (인천TP)
- 선진제품 3차원 역설계 분석
- 3차원 설계 및 구조해석 지원
- 개발품의 3차원 목업 제작 지원
○ 개발품 성능시험 및 신뢰성 확보 (KTL)
- 국내외 표준 분석
- 개발품 신뢰성 검증 방법 제시 및 신뢰성 확보
- 개발품 성능평가 및 인증
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 ？ 임펠러 설계
？ 모터 설계
？ 통합 관리 어플리케이션
？ 탄소섬유 재질 검토
？ Tow preg의 소재 검토
？ 센서기반 결함 검출 회로 개발
？ MCSA기반 결함 검출 회로 개발
？ 선진제품 팬의 역설계 분석 		- 주변압기, 전력변환장치, 보조변환장치, 견인 전동기 냉각팬 시스템의 운용 현황 및 장치별 특성을 고려한 개발 요구 사항을 분석하여 임펠러 선정 및 설계 사항 검토
- 국내 고속철도는 운행 특성 상 잦은 가감속에 따른 부하가 송풍팬에 발생함. 따라서 적절한 임펠러 선정은 송풍팬 시스템 구성에 핵심 요소임. 임펠러는 시로코, 익형, 크로스 팬, 백워드 등 모양에 따라 공력적 특성이 다름. 임펠러 선정은 정압, 풍량, 강도에 따라 선정.
- 주변압기, 전력변환장치, 보조전원장치, 견인전동기의 각 장치별 냉각팬 시스템 운용 환경에 적합한 탄소섬유 재질을 확정하기 위해 여러 종의 탄소 섬유 검토
- 물성값 목표 도달치에 적합한 소재 검토
- 다양한 재질의 Carbon 사용한 towpreg 검토
- Resin 함량의 최소화에 따른 목표 계수값 도달치 레진 함량 선정
- 센서 기반의 결함 검출회로에서 적용가능한 센서류는 모터의 고정자등 코일등에서 발생하는 열을 감지하여 모터의 과부하, 코일의 상태등을 감지할 수 있는 온도센서, 모터 또는 팬등에서 발생하는 음파 또는 소음을 감지할 수 있는 압전형 마이크로폰, 외부로 전달되어 지는 기계적 진동과 관성 등을 측정할 수 있는 가속도 센서 등을 조합하여 결함 검출회로 설계하고자 함.
연구성과 기술적 기대성과 - 국내외 철도 및 타분야 대상으로 복합소재 신소재 기술전파
- 본 과제의 성곡적인 수행을 통해 획득한 기술을 기반으로 융복합 소재 기자재를 타분야 (공조기, 환기분야)에 상용화 기술 전파
- 냉각팬류 상태감시를 통한 예방적 유지보수 적용 기술의 타산업분야 확대 적용 가능
- 카본섬유를 적용한 송풍팬 및 냉각팬을 경량화로 국내외 고속철도 전력시스템용 냉각팬 시장 진출
- 냉각성능 안정성 확보로 열차 안전운행에 기여
- 고효율, 고성능, 경량화, 상태감시를 통한 에너지 절감 및 적정 유지보수 시행에 따른 열차 안전운행에 기여 가능
- 냉각팬시스템 제어 최적화 및 안전성검증, 보조전원장치 및 충전장치와의 인터페이스를 통한 종합적인 안정성을 확보하여 국민 안전 기여
- 전문기관 자문 하 RAMS를 통한 철도부품의 신뢰성, 가용성, 정비성 향상으로 데이터베이스와 정보화 기술을 결합한 안전성 확보
- 사전 문서 검토, 코드 워크술, 감사, 검증 및 확인 시험, 기능 형상 관리, 소프트웨어 형상 관리 등 일련의 소프트웨어 품질 보증 프로세스 수행으로 소프트웨어 품질 신뢰성 확보
사회 경제적 파급효과 ？ 고속철도용 냉각팬 상용화 및 사업화
？ 개발설계도서 및 공인기관 시험성적서, 성능비교분석서, 개발품의 활용
？ 설계서, 운영 및 유지보수 규격서의 활용국내외 고속철도용 냉각팬 신규 시장진입 및 유지보수
？ 상태감시 기술 활용
활용방안 ？ 신소재 냉각팬의 국내 상용화 기술 활용
？ 냉각팬 개발을 통한 유지보수 대체품으로서의 활용
？ 품질경영시스템 인증 및 제품 인증 획득 시 활용
？ 품질경영시스템 운영기관 최적운영 및 유지보수지침에 활용
？ 견인전동기, 모터블럭, 주변압기등 냉각 송풍기 기술의 다목적 활용 범위
？ 고속철도용에 국한되지 않는 신소재 냉각팬으로 신산업으로서 확장 활용
？ 국내외 철도차량(도시철도, 일반철도 등)에 냉각팬 시스템 기술개발의 요소기술에 대한 적용성을 검토하여 일부 변형 등을 통해 활용
？ 냉각팬 시스템 제어 최적화 기술
？ 냉각팬 시스템 상태정보기반 모니터링 기술
？ 차량컴퓨터장치와 연계된 실시간 상호통신 기술 확보
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
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