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목차
1. 연구개발과제의 개요 11
2. 연구수행내용 및 성과 17
가. 연구개발 대상의 국내·외 현황 17
(1) 국내·외 기술 현황 17
(2) 국내·외 시장 동향 30
(3) 국내·외 논문 및 특허 현황 32
나. NSDLIM 개념 및 구동 메커니즘 37
(1) NSDLIM 개념 37
(2) NSDLIM 구동 메커니즘 39
다. NSDLIM 설계 42
(1) 초고속 자기부상열차 요구사양 분석 42
(2) NSDLIM 기본 설계 44
(3) NSDLIM 기본 설계 모델 해석 47
(4) NSDLIM 상세 설계 61
(5) NSDLIM 상세 설계 모델 2차원 유한요소 해석 64
라. NSDLIM의 3차원 유한요소 해석(부산외국어대학교) 69
(1) NSDLIM의 3차원 해석 기법 도출 69
(2) NSDLIM 기본 설계 모델 3차원 유한요소 해석 86
(3) NSDLIM 상세 설계 모델 3차원 유한요소 해석 90
마. NSDLIM 축소-회전형 시험기 설계 및 제작 93
(1) NSDLIM 축소-회전형 시험기 개념 및 구조 93
(2) NSDLIM 축소-회전형 시험기 설계 94
(3) NSDLIM 축소-회전형 시험기 설계 모델 전자기적 특성 분석 102
(4) NSDLIM 축소-회전형 시험기 시제품 제작 109
(5) NSDLIM 축소-회전형 시험기 성능 시험 123
바. 결론 및 향후 연구 계획 138
사. 연구개발 성과 140
(1) 논문 게재 성과 140
(2) 특허 성과 140
(3) 국내 및 국제 학술회의 발표 141
3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 141
가. 연구 목표 및 목표 달성 여부 141
(1) 정성적 목표 및 달성 여부 141
(2) 정량적 목표 및 달성 여부 143
나. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) 144
4. 연구개발성과의 활용 계획 등 144
붙임 : 참고문헌 144
〈별첨〉 주관연구기관의 자체평가 의견서[내용없음] 5
표 2-가-1. Virgin Hyperloop One 보유 시험장치 21
표 2-가-2. 하이퍼루프 경진대회 참여 주요 팀 24
표 2-가-3. Hyperloop One 특허 목록 33
표 2-가-4. 자기부상열차의 주요 특허 현황 34
표 2-가-5. 자기부상열차의 주요 논문현황 36
표 2-다-1. 속도 구간별 요구사양 분석 42
표 2-다-2. 1000km/h급 초고속 자기부상열차용 NSDLIM의 설계를 위한 차량 요구사양 43
표 2-다-3. NSDLIM 기본 설계 모델의 주요 사양 45
표 2-다-4. NSDLIM 설계에 의해 도출된 기본 모델의 설계 결과 46
표 2-다-5. 극수에 따른 슬립별 추력 정리(7kA 환산) 50
표 2-다-6. 재설계 모델의 설계 사양 비교 51
표 2-다-7. 알루미늄의 도전율 57
표 2-다-8. 상세 설계를 위한 NSDLIM의 1,2차측 파라미터 및 범위 61
표 2-다-9. 파라미터 해석용 기준 모델 설계 사양 63
표 2-다-10. 민감도 분석 결과 값(매극매상 슬롯 수=2) 64
표 2-다-11. 민감도 분석 결과 값(매극매상 슬롯 수=3) 66
표 2-다-12. 민감도 분석 결과 값(매극매상 슬롯 수=4) 67
표 2-다-13. 최종 모델 성능 비교 결과 값 67
표 2-라-1. 선형유도전동기의 시간차분에서의 time step에 따른 성능해석 결과비교(슬립 = 0.2) 71
표 2-라-2. 설계변수 변화에 따른 FDS 해석오차 검증을 위한 NSDLIM 주요 사양 78
표 2-라-3. 주요 설계변수 변화에 따른 FDS 해석시간 및 해석오차 82
표 2-라-4. 2차측 도전율 변경의 유효성 검증을 위한 LIM 사양 83
표 2-라-5. 2차원 및 3차원 유한요소해석 비용 비교 85
표 2-마-1. 상세 설계 모델의 주요 사이즈 95
표 2-마-2. 축소-회전형 시험기 주요 사이즈 95
표 2-마-3. 시험기 주요 사양 99
표 2-마-4. 시험기 최종 사양 101
표 2-마-5. 축소-회전형 시험기 2차원 유한요소 해석 조건 103
표 2-마-6. 회전형 시험기의 해석기법 별 해석오차 108
표 2-마-7. 부하 토크 계산 값 129
표 2-마-8. 부상 높이에 따른 시험 결과 값 134
표 2-마-9. 2차측 도전율 가변 파라미터 해석 결과 값 136
그림 1-1. 하이퍼루프 개념도 11
그림 1-2. 독일 Transrapid의 부상&추진 일체형 시스템(안내 별도) 12
그림 1-3. 일본 MLX의 부상&안내 일체형 시스템(추진 별도) 12
그림 1-4. 대표적 자기부상열차의 추진, 부상, 안내 일체화 현황 12
그림 1-5. 비대칭 양측식 선형유도전동기(NSD-LIM)의 개념도 13
그림 1-6. LIM의 종방향 단부효과의 발생원인 14
그림 1-7. LIM의 횡방향 단부효과에 의한 2차측 와전류 분포현상 15
그림 1-8. 유한요소해석을 이용한 LIM 기존 성능해석 모델 16
그림 1-9. 비대칭 양측식 선형유도전동기(NSD-LIM)의 추진 및 부상력 16
그림 2-가-1. 초전도 하이브리드 자기부상시스템(좌)과 튜브트레인 공력 해석 프로그램 개발(우) 17
그림 2-가-2. 루프형 LSM 소형시험장치(좌)와 차량·궤도 인터페이스 시험장치(우) 18
그림 2-가-3. 시제 차량(좌), 가이드웨이(우)와 시험선/차고(하) 18
그림 2-가-4. LSM 추진용 1T 급 초전도 전자석 시작품 및 공심형 LSM 시험기 19
그림 2-가-5. UNIST 자체 제작 U-Loop 모형 20
그림 2-가-6. 하이퍼루프 개념도 21
그림 2-가-7. TransPod 캡슐의 프로토타입 22
그림 2-가-8. 전두부 air compressor(좌)와 공기부상용 Ski(우) 23
그림 2-가-9. 하이퍼루프 추진장치 모형도(좌)와 하이퍼루프 추진장치 도면(우) 23
그림 2-가-10. 스위스 메트로 개념도 25
그림 2-가-11. 동경-오사카 MLX 실용화 노선 25
그림 2-가-12. 일본 MLX 27
그림 2-가-13. 독일의 Transrapid 27
그림 2-가-14. Transrapid 추진&부상 및 안내 28
그림 2-가-15. 중국 서남교통대학교(SWJTU)의 HTS - ETT 시험 플랫폼 28
그림 2-가-16. HTS 140m 길이 고속시험 플랫폼의 리니어 모터 구조 29
그림 2-가-17. HTS Maglev 시스템 추진용 리니어 DC모터 개념도 29
그림 2-가-18. HTS Maglev 시스템의 추진용 리니어 DC모터의 추진원리 29
그림 2-가-19. 리니어 DC모터 프로토타입 29
그림 2-가-20. 자기부상 관련기술을 보유한 상위 경쟁기업들의 포트폴리오 현황 31
그림 2-가-21. 초고속 교통 육성 혁신기술의 중요성 31
그림 2-가-22. 글로벌 시장의 잠재-수익 예측 31
그림 2-가-23. 출원년도 및 국가별 특허출원 동향 32
그림 2-가-24. 국가별/기술분류별 논문 발표 현황 35
그림 2-나-1. 독일 초고속 자기부상열차 Transrapid의 추진, 부상, 안내 시스템 구조 37
그림 2-나-2. 일본 MLX의 추진 부상 안내 38
그림 2-나-3. NSDLIM의 구조도 38
그림 2-나-4. 초고속 자기부상열차용 NSDLIM의 적용도 38
그림 2-나-5. NSDLIM의 추진 원리 39
그림 2-나-6. NSDLIM의 부상 원리 40
그림 2-나-7. NSDLIM의 단면도(부상력) 40
그림 2-나-8. NSDLIM의 안내 원리 41
그림 2-나-9. NSDLIM의 단면도(안내력) 41
그림 2-다-1. 시간별 거리 그래프 43
그림 2-다-2. 시간별 속도 그래프 43
그림 2-다-3. 시간별 가속도 그래프 43
그림 2-다-4. NSDLIM 설계 프로세스 44
그림 2-다-5. NSDLIM 기본 설계 모델의 주요 치수도 45
그림 2-다-6. NSDLIM 축소 모델 47
그림 2-다-7. 극수에 따른 슬립별 추력 48
그림 2-다-8. 극수에 따른 슬립별 상전류peak 값 49
그림 2-다-9. 극수에 따른 슬립별 추력(환산값) 50
그림 2-다-10. NSDLIM 20극의 자속선 분포(정격속도) 51
그림 2-다-11. NSDLIM 20극 모델의 자속밀도 분포(정격속도) 51
그림 2-다-12. 28극 재설계 1 모델 52
그림 2-다-13. NSDLIM 재설계 모델 52
그림 2-다-14. 재설계 모델의 슬립별 추력 52
그림 2-다-15. 재설계 모델의 슬립별 전류 53
그림 2-다-16. 재설계 모델의 슬립별 추력(7kA 환산) 54
그림 2-다-17. 재설계 모델의 자속선 분포(정격속도) 54
그림 2-다-18. 재설계 모델의 자속밀도 분포(정격속도) 55
그림 2-다-19. 간략화된 유도 전동기의 등가회로 55
그림 2-다-20. 회전자의 저항에 따른 토크 특성(회전형 유도전동기) 56
그림 2-다-21. 2차측 알루미늄 도전율에 따른 속도별 추력 특성 57
그림 2-다-22. 2차측 알루미늄 도전율에 따른 속도별 전류 특성 57
그림 2-다-23. 2차측 알루미늄 도전율에 따른 속도별 추력 특성(7kA 환산) 58
그림 2-다-24. 알루미늄 1% 도전율 모델의 추력 환산값과 시뮬레이션 결과 58
그림 2-다-25. 알루미늄 1% 도전율 모델의 전류 환산값과 시뮬레이션 결과 58
그림 2-다-26. 2차측 알루미늄 도전율에 따른 자속선 분포(정격속도) 59
그림 2-다-27. 2차측 알루미늄 도전율에 따른 자속밀도 분포(정격속도) 60
그림 2-다-28. Symmetry 기능을 적용한 Half Model 62
그림 2-다-29. Half Model과 Full Model의 해석 결과 비교 62
그림 2-다-30. 풀 모델과 주기 모델의 자계 해석 결과 비교 62
그림 2-다-31. 파라미터 해석용 기준 모델 63
그림 2-다-32. 매극매상 슬롯 수 2의 추진력 민감도 분석 64
그림 2-다-33. 파라미터 해석 모델(매극매상 슬롯 수=3) 65
그림 2-다-34. 단절율 가변에 따른 추진력 민감도 분석(매극매상 슬롯 수=3) 65
그림 2-다-35. 파라미터 해석 모델(매극매상 슬롯 수=4) 66
그림 2-다-36. 단절율 가변에 따른 추진력 민감도 분석(매극매상 슬롯 수=4) 66
그림 2-다-37. 우수 모델 최종 성능 비교 67
그림 2-다-38. 최종 모델 자계 해석 68
그림 2-라-1. Transient solver를 이용한 선형유도전동기 성능해석 시 발생하는 과도구간 70
그림 2-라-2. 해석시간 분할회수에 따른 선형유도전동기의 정상상태 해석오차 비교 71
그림 2-라-3. Current sheet가 적용된 양측식 평판형 선형 유도전동기의 유한요소 해석모델 74
그림 2-라-4. 기본파 이동자계만 존재하는 경우 해석방법에 따른 추진력 해석결과 비교 75
그림 2-라-5. 5 공간고조파 이동자계가 존재하는 경우 해석방법에 따른 추진력 해석 결과 비교 76
그림 2-라-6. 7 공간고조파 이동자계가 존재하는 경우 해석방법에 따른 추진력 해석 결과 비교 76
그림 2-라-7. NSDLIM의 유한요소 해석을 위한 1극 1/2 해석모델 78
그림 2-라-8. 공극길이 변화에 따른 TDS 및 FDS 해석결과 79
그림 2-라-9. 극 피치 변화에 따른 TDS 및 FDS 해석결과 79
그림 2-라-10. 권선법에 따른 TDS 및 FDS 해석결과 80
그림 2-라-11. 유한요소해석 모델 84
그림 2-라-12. 슬립에 따른 추진력 해석결과(2D, 3D) 85
그림 2-라-13. 추진/부상력 해석을 위한 3차원 해석 모델링 및 Mesh 86
그림 2-라-14. Primary와 Secondary 중심 간 거리에 따른 Thrust force(추진력) 해석결과 87
그림 2-라-15. 1차측과 2차측의 중심 간 거리에 따른 2차측 와전류 분포패턴 88
그림 2-라-16. Primary와 Secondary 중심 간 거리에 따른 lateral force(부상력) 해석결과 89
그림 2-라-17. 상세 설계모델의 성능해석을 위한 3차원 해석모델(1극 full 모델) 90
그림 2-라-18. y축 변위에 따른 3차원 해석결과 91
그림 2-라-19. z축 변위에 따른 3차원 해석결과 92
그림 2-마-1. NSDLIM 축소-회전형 시험기 구조도 93
그림 2-마-2. 축소-회전형 시험기 설계 순서도 94
그림 2-마-3. NSDLIM 축소-회전형 시험기 구조도 95
그림 2-마-4. 축소-회전형 시험기의 2차측 회전체 외경 계산 95
그림 2-마-5. 축소-회전형 시험기의 주요 사이즈 96
그림 2-마-6. 축소-회전형 시험기의 2차측 회전체 사이즈 96
그림 2-마-7. 축소-회전형 시험기의 간략화된 회전체 구조도 97
그림 2-마-8. 축소 회전형 시험기의 2차측 회전체 부피 계산 97
그림 2-마-9. 축소-회전형 시험기의 성능 곡선 98
그림 2-마-10. 축소-회전형 시험기 2차원 유한요소 해석 모델 102
그림 2-마-11. 축소-회전형 시험기 2차원 유한요소 해석 103
그림 2-마-12. 3차원 유한요소해석 모델(1극 모델) 104
그림 2-마-13. 1차측과 2차측 사이의 변위에 따른 슬립 별 추진력 해석결과 105
그림 2-마-14. 1차측과 2차측 사이의 변위에 따른 슬립 별 부상력 해석결과 106
그림 2-마-15. 1차측과 2차측 사이의 변위에 따른 2차측 와전류 분포 해석결과 107
그림 2-마-16. 시험기에 부착된 엔코더 124
그림 2-마-17. 오실로스코프를 이용하여 측정한 d,q축 전류 124
그림 2-마-18. 멀티미터 125
그림 2-마-19. 벽면 전원부(단상 220V) 125
그림 2-마-20. 승압 변압기(3상 380V) 126
그림 2-마-21. 슬라이닥스 126
그림 2-마-22. 컨버터 127
그림 2-마-23. 인버터 127
그림 2-마-24. NSDLIM 축소-회전형 시험기 성능 시험 로드맵 128
그림 2-마-25. 시험기의 부하 토크 측정 메커니즘 129
그림 2-마-26. 부하-토크 곡선 130
그림 2-마-27. 기계적 토크 곡선 130
그림 2-마-28. 전기적 토크 곡선 131
그림 2-마-29. 추정된 부하 토크 곡선 132
그림 2-마-30. 부상 높이에 따른 추진 토크 133
그림 2-마-31. 부상 비율에 따른 추진 토크 및 토크 감소율 133
그림 2-마-32. 성능 시험결과와 시뮬레이션간 결과 비교 135
그림 2-마-33. 2차측 도전율 가변 파라미터 해석 136
그림 2-마-34. 2D & 3D 시뮬레이션과 성능 시험간 최종 비교 137