| 1차년도 |
○ 연구개발목표 - 주관연구개발기관(한국교통대학교) : ① 선행기술 검토 및 분석 연구 ② MG-PMSM 설계 및 전자계 특성 기법 연구 ③ MG-PMSM 다물리 특성 기법 연구 ④ 설계 기법 검증용 45kW급 MG-PMSM 시작품 기초설계 ⑤ 설계 기법 검증용 45kW급 MG-PMSM 시작품 상세설계 - 공동연구개발기관(㈜브이씨텍) : ① 선행기술 검토 및 분석 연구 ② MG-PMSM 구동 제어기법 선정 연구 ③ MG-PMSM 구동용 5kW급 인버터 알고리즘 검증용 간이 시작품 제작 및 제어기법 유효성 연구 ④ (ISO/TS 22163) 1단계 : 프로세스 분석 - 공동연구개발기관(㈜로텍) : ① MG-PMSM 폴피스 강성 확보를 위한 재료 및 구조 연구 ② 회전자 시작품 제작을 통한 설계 타당성 검증 ③ MG-PMSM 기구부 기초설계 - 공동연구개발기관(한국철도공사) : ① 철도차량 동력전달시스템 기술사양 및 유지보수 체계 현황조사 ② 철도차량 동력전달시스템 운영기술 분석
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○ 연구개발내용 및 범위 - 주관연구개발기관(한국교통대학교) : ① 선행기술 검토 및 분석 연구 (a) MG-PMSM 설계 기법 조사 (b) 회전자 강성확보를 위한 제작기술 분석 ② MG-PMSM 설계 및 전자계 특성 기법 연구 (a) 최적 설계 기법 도출 (b) 권선법, 자성재료 및 구조를 고려한 효율/출력밀도 향상 기법 연구 ③ MG-PMSM 다물리 특성 기법 연구 (a) 폴피스 회전자 구성 최적 재료 연구 (b) 폴피스 회전자 강성 확보 기술 연구 (c) 2중 회전자 최적 구조 설계 기술 연구 (d) 2중 회전자 구조 열 특성 분석 ④ 설계 기법 검증용 45kW급 MG-PMSM 시작품 기초설계 (a) 45kW급 MG-PMSM의 기초 자기회로 구성 (b) 전자계 특성을 고려한 자성재료 선정 (c) 설계 제약조건을 고려한 형상 기초설계 ⑤ 설계 기법 검증용 45kW급 MG-PMSM 시작품 상세설계 (a) 설계 제약조건을 고려한 형상 상세설계 ⓐ 고정자/회전자 및 폴피스에서의 철손/동손/와전류손 최소화 방안 연구 ⓑ 출력밀도 향상 위한 설계 파라미터 분석 ⓒ 전자계 해석, 열해석, 구조해석 등을 통한 최적화 설계 (b) 반응표면법을 이용한 45kW급 MG-PMSM 최적 모델 도출 - 공동연구개발기관(㈜브이씨텍) : ① 선행기술 검토 및 분석연구 (a) 제어 알고리즘 조사 및 벤치마킹 ⓐ MG-PMSM 요구동력사양 사양 검토 ⓑ 5kW급 인버터 부품 선정 및 발주 (b) 2중 센싱 신뢰성 향상 기법 조사 (c) MG-PMSM 구동용 인버터 고장 검출 기법 사례 조사 ② MG-PMSM 구동 제어기법 선정 연구 (a) 모델 연동 제어 해석 기법 연구 ⓐ MG-PMSM 요구동력사양 사양 검토 ⓑ 5kW 인버터 부품 선정 및 발주 (b) 제어 알고리즘 검증 방안 연구 ③ MG-PMSM 구동용 5kW급 인버터 알고리즘 검증용 간이 시작품 제작 및 제어기법 유효성 연구 (a) MG-PMSM 구동용 인버터 시작품 제작 ⓐ MG-PMSM 요구동력사양 사양 검토 ⓑ 5kW급 인버터 부품 선정 및 발주 (b) 간이부하 시험을 통한 제어 알고리즘 유효성 연구 ④ (ISO/TS 22163) 1단계 : 프로세스 분석 (a) 프로세스 파악(Turtle Chart 작성) (b) 리스크 분석 - 공동연구개발기관(㈜로텍) : ① MG-PMSM 폴피스 강성 확보를 위한 재료 및 구조 연구 (a) 전자계 및 기계적 특성을 고려한 폴피스 재료 선정 (b) 강도가 단단하면서 자기적 영향을 받지 않는 소재로 구조물을 제작하여 폴피스 강성 확보 (c) MG-PMSM 형태(내전형/외전형)에 따른 기구부 설계 방안 연구 ② 회전자 시작품 제작을 통한 설계 타당성 검증 (a) 회전자 단독 제작하여 폴피스 구조에 대한 설계 타당성 검증 ③ MG-PMSM 기구부 기초설계 (a) MG-PMSM 타입별 기구부 설계 방안 연구 (b) 내전형/외전형 MG-PMSM의 기구부 기초설계 - 공동연구개발기관(한국철도공사) : ① 철도차량 동력전달시스템 기술사양 및 유지보수 체계 현황조사 (a) 철도차량 동력전달시스템 주요 기술사양 조사 (b) 철도차량 동력전달시스템 유지보수 체계 조사 ② 철도차량 동력전달시스템 운영기술 분석 (a) 철도차량 동력전달시스템 부품별 기술기준 검토 (b) 철도차량 동력전달시스템 유지보수 현황 조사
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
[기술적 기대성과] ○ 구동시스템의 핵심 요소기술 고도화를 선도적으로 이끌며 선진적인 미래기술 개발에 기여 및 세계 시장 선점 ○ 경쟁국과의 기술 경쟁에서의 차이를 좁히며 경쟁력 있는 고유 기술 확보 및 축적 가능 ○ MG-PMSM은 기존 구동시스템 대비 소형화된 시스템 구축이 가능하며 직접 접촉이 없으므로 유지보수성 향상 및 고효율 등으로 차별화된 핵심기술 확보 ○ 국내·외적으로 초기 연구개발단계에 머물러있는 MG-PMSM에 대해 각 단계에 있어 체계적 기술개발 및 데이터 베이스화를 통한 향후 연구의 효율성 향상 ○ 철도차량의 핵심 부품인 추진시스템 기술개발 기획으로 철도분야 수출경쟁력을 향상시키기 위한 핵심 기술 확보 및 국가 기술 경쟁력 확보 전략 수립 가능 ○ 기술적 우위를 갖는 선진적 기술로서, 향후 확보된 기술을 기초로 해외진출이 가능할 것으로 기대
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| 사회 경제적 파급효과 |
[경제적 기대성과] ○ MG-PMSM 적용에 따라 전기철도의 핵심인 추진시스템의 고도화에 의한 신규 고부가가치 창출 및 관련 기술의 해외 수출 시 경쟁력 강화 ○ 기존의 기계식 감속기가 가지고 있는 유지보수 문제 해결이 가능하여 경제적인 추진시스템 구축 가능 ○ 시스템 효율 향상 및 기계적 중량 저감을 통한 에너지 절약형 시스템 구축 가능 ○ 기존 기계식 감속기의 유지보수 문제 해결이 가능해지며 유지보수에 배분된 인력 및 비용 절감으로 인해 경제적인 구동시스템 구축 가능 ○ 기계식 기어가 대체됨에 따라 종래기술과 응용기술의 융합으로 인한 시너지효과 창출 ○ 정부의 철도망 확충 및 녹색교통과 연계 시너지효과 극대화 ○ 철도차량업체의 인력 고용 향상과 경기부양 효과 기대 ○ MG-PMSM 적용 시, 철도 운영기관에서 사용하는 전체 전력량의 최대 약 5.3% 수준의 절감 효과를 가져올 것으로 기대 - 금액으로 환산 시, 서울교통공사의 경우 연간 최대 약 100억원 수준의 전기세 절감 가능 ○ 전동기의 자기회로 최적 설계법/최적 권선법과 관련된 연구를 통해 핵심설계 기술을 확보 - 확보된 핵심기술의 확대 적용을 통해 타 산업에서도 활용이 가능할 것으로 예상[사회적 기대성과] ○ 미래 친환경 추진시스템 구축을 위한 기반 기술의 확보 ○ 이에 구동 시스템 전력의 상당 부분을 차지하는 견인전동기를 포함하여 기계식 기어까지 포함한 구동계의 효율을 증가시킬 수 있는 해당 기술 확보는 에너지 저감에 큰 기여를 할 것으로 기대 ○ 해당 기술에 대한 연구 개발이 끝나게 되면 MG-PMSM의 설계 및 제어기술 향상과 더불어 관련 전자 제어 산업으로의 파급효과 기대 ○ 연구개발 기간 동안 견인전동기 및 전장품, 감속기 관련 설계/제어/시험평가 전문인력 양성 ○ 학계 및 산업계 대용량 철도 추진시스템 관련 인력 확충 ○ 향후 상용전기차(버스, 트럭 등)에 활용 가능 ○ 고속철도/일반철도/도시철도 등 철도차량 공통의 핵심기술 개발로 철도차량의 운행 안정성 향상을 위한 기술 대안 확보 및 철도교통 서비스 경쟁력 확보
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| 활용방안 |
○ 국내외 노후 도시철도차량의 증가로 인한 차량 교체수요 대응에 활용 - 최근 국내외에서 도시철도차량의 노후 차량 교체 사업이 지속적으로 발생되고 있으므로 신조차량의 교체 수요에 본 연구개발 사업에서 도출된 마그네틱 기어드 방식 동력전달시스템(MG-PMSM)의 적용 대응이 가능할 것임 ○ 미래 신교통 시스템용 추진시스템 구축을 위한 기반 기술 확보 및 철도/도로 교통 분야 신성장 동력 창출에 활용 - 기존 대중교통 대비 경제성과 친환경성에서 유리한 미래 신교통시스템이 최근 전세계적으로 주목 받고 있음. 이에 MG-PMSM의 연구개발은 신교통시스템 추진시스템 구축을 위한 기반기술 확보 및 교통분야 신성장 동력창출을 가능하게 할 것임 ① 철도 교통 분야 미래 신성장 동력 창출 ② 도시철도에 대한 ‘마그네틱 기어드 방식 동력전달시스템‘의 설계·제어 기술 축적 및 관련 자료, 논문, 특허, 노하우 확보 ③ 본 연구를 통해 도시철도 차량용 ‘마그네틱 기어드 방식 동력전달시스템’의 핵심 기술을 확보 및 향후 국내 철도차량 완성차(또는 전장품) 기업과 실용화 사업에 활용 ④ 고출력밀도 추진시스템 설계/제어 요소 기술 및 툴 개발에 활용 ○ MG-PMSM 기술에 대한 원천기술 확보를 통한 구동시스템 관련 분야에서의 기술 선점 및 해외 수출, 세계 시장 개척에 활용 - 해당 기술에 대한 원천 기술 확보는 관련 기술이 적용 및 응용되는 분야에서의 기술 선점이 가능하며, 이는 기술의 해외 수출 및 세계 시장 개척에 활용될 수 있음 ① 철도차량용 구동시스템에서 기계적 감속기어의 직접 접촉에 의해 발생하는 기어 부의 치 마모 및 파손 등의 문제에 대해 MG-PMSM으로 대체 시 해당 문제를 해결 및 유지보수성 및 신뢰성 향상 기대 ② 마그네틱 기어드 방식 동력전달시스템은 국내외 철도차량 부품에 있어 연구개발이 거의 미비한 상황이므로 관련 기술의 선점 시 차세대 구동시스템으로 다양한 속도영역 대의 철도차량에서 활용될 수 있음 ③ 해당 기술에 대해 철도차량 제작업체 및 수요처에 기술이전으로 인한 구동시스템의 국산화가 가능해지며, 현재 해당 기술에 대해 철도차량에 적용된 사례는 존재하지 않으며 해외 철도차량 부품 시장에 대한 수출 판로 및 시장 개척 가능 ○ MG-PMSM 설계 및 제어 기술의 실용화를 통해 철도차량 및 전기자동차 구동시스템 제작업체 및 수요처에 관련 기술의 이전에 활용 - 본 사업에서의 연구개발을 통해 도출된 MG-PMSM 및 구동용 인버터의 설계/제어 관련 데이터와 그 노하우는 MG-PMSM 설계 및 제어 요소 기술의 발전 및 응용의 초석이 될 것임 - 또한 이를 실용화하기 위한 과정에서도 보다 현실적으로 구현 가능한 방향을 제시할 수 있으며, 전기철도차량 및 전기자동차 구동 시스템 제작업체 및 수요처에 대해 관련 기술의 이전이 가능함 ○ 철도차량 및 전기자동차 구동시스템의 고효율화를 위한 발전 전략 수립의 기초 및 정부의 정책 수립의 기초 자료로 활용 - 본 연구 사업에서 도출된 연구 결과물은 체계적인 관리가 가능하도록 구성이 되었으며, 철도차량 및 전기자동차 구동시스템의 고효율화를 위한 발전전략 수립의 기초 및 정부 정책수립의 기초자료로 활용이 가능 ① 최근 철도차량 부품은 에너지 저감시대의 트렌드에 맞춰 고효율화를 꾀함. 이에 기존의 기어 및 견인전동기로 구성된 구동시스템 대비 MG-PMSM으로의 대체는 현재 철도 산업 동향에 대응 가능 ② 고효율·고출력밀도의 구동시스템 설계 기술 선점은 전 세계적으로 철도차량부품에 있어 신기술이며, 이에 철도차량부품시장에 있어 경쟁력이 약한 국내 철도차량 부품 제작업체에 기술이전은 해외 수출 증대를 통한 국가 경쟁력 제고 ○ MG-PMSM을 도시철도차량 구동용 시스템에 실 적용시키기 위해서 2026년도부터 MG-PMSM 실용화 기술 개발 사업에 본 연구개발성과물의 활용 - 본 연구개발사업을 진행하면서 도출된 210kW급 MG-PMSM 기술을 토대로 MG-PMSM을 도시철도차량 구동시스템에 적용시키기 위해서 도시철도차량용 MG-PMSM 실용화 기술개발사업을 추가적으로 도출할 계획임 ① 도시철도차량에 210kW급 MG-PMSM 기술을 실 적용시키기 위한 실용화 기술 개발 사업을 도출하여, 향후 2026년부터 착수하는 철도차량부품 관련 연구개발사업에 포함시켜 진행할 계획임
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