[표지] 1
제출문 2
보고서 요약서 3
요약문 4
목차 23
제1장 연구개발과제의 개요 32
제1절 연구개발 배경 및 필요성 32
1-1. 전자장 가속방식을 활용한 청도차량 추진시스템 원천기술 연구 32
1-2. 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 32
1-3. 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도 적용성 연구 33
1-4. 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 35
제2절 연구개발 목표 및 내용 37
1-1. 전자장 가속방식을 활용한 청도차량 추진시스템 원천기술 연구 37
1-2. 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 38
1-3. 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도적용성 연구 40
1-4. 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 41
제2장 국내외 기술개발 현황 44
제1절 관련 기술개발 동향 44
1-1. 전자장 가속방식을 활용한 청도차량 추진시스템 원천기술 연구 44
1-2. 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 63
1-3. 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도 적용성 연구 77
1-4. 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 79
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 86
제1절 전자장 가속방식을 활용한 청도차량 추진시스템 원천기술 연구 86
1. LPM 설계이론 86
2. LPM 추진방식 시스템 설계 및 제작 99
3. 차상계자용 초전도 전자석 설계 및 특성 분석 112
4. 10kW급 자석시스템의 대차 취부방안 도출 155
제2절 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 158
1. 아크방전 발생 메카니즘 158
제3절 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도 적용성 연구 181
1. degree-of-freedom 시스템의 자기베어링 제어 181
2. Simulink 모델 181
3. Flywheel 시스템 해석 185
4. 플라이휠 에너지 저장장치 설계 194
4. 회전축의 동역학 모델 구축 및 분석 209
5. 소형 플라이휠 에너지 저장장치 최종 설계 안 218
제4절 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 228
1. 산악트램의 기본설계 시 고려 사항 228
2. 산악트램 주요 사양 228
3. 차체설계 229
4. 대차 설계 233
5. 등반시스템 236
6. 등반주행 견인용량 산정 237
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 239
제1절 전자장 가속방식을 활용한 철도차량 추진시스템 원천기술 개발 239
1. 연구개발 목표달성도 239
2. 관련분야에의 기여도 241
제2절 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 243
1. 성과목표(지표) 대비 추진실적 243
2. 관련분야 기여 243
제3절 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도 적용성 연구 244
1. 성과목표(지표) 대비 추진실적 244
2. 관련분야 기여 244
제4절 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 246
1. 성과목표(지표) 대비 추진실적 246
2. 관련분야 기여 246
제5장 성과 활용 및 확산 계획 248
제1절 전자장 가속방식을 활용한 청도차량 추진시스템 원천기술 연구 248
1. 성과 활용 계획 248
2. 성과 확산 계획 248
제2절 비접촉식 고속 아크집전 기술개발 249
1. 경제적, 기술적, 사회적 기대효과 249
2. 성과확산계획 249
제3절 비접촉식 자기베어링 핵심기술 및 철도 적용성 연구 250
1. 기대효과 250
2. 성과활용 및 확산 계획 251
제4절 평창 동계올림픽 대비 친환경 산악철도 기술개발 253
1. 경제적, 기술적, 사회적 기대효과 253
2. 성과확산계획 253
제6장 참고문헌 255
부록 - Simulation Code 259
판권기 276
표 2.1. 용인경전철의 주요사양 46
표 2.2. 일본과 캐나다의 LIM 추진시스템을 적용한 지하철/경전철 개발 현황 49
표 2.3. 일본 초고속 자기부상열차의 LSM 추진용 고온 및 저온 초전도 전자석 비교 53
표 2.4. 고온 초전도체 비교 54
표 2.5. 무선전력전송 기술의 분류 65
표 2.6. 국내 주요기술 보유 국방부 직할부대 및 기관 현황 및 수준 77
표 2.7. 국외 주요기술 보유 기관 현황 및 수준 78
표 2.8. 국외 자기베어링기술기반 축소형 플라이휠에너지 저장 장치 기술 수준 78
표 3.1. 제조사별 고온 초전도 선재의 사양 114
표 3.2. 초전도 선재의 제공된 사양 및 임계전류 측정 결과 비교 117
표 3.3. 초전도 마그넷 설계용 초전도 선재 사양 117
표 3.4. 레이스 트랙형 코일과 솔레노이드의 비교 121
표 3.5. 초전도 더블 팬케잌 기본 설계 조건 136
표 3.6. 영구 자석 사양 147
표 3.7. 전자석 사양 149
표 3.8. 초전도 자석 사양 151
표 3.9. 소형 플라이휠 어너지 저장장치 부품 리스트 220
그림 2.1. 반도체 이송 공정용 소형 리니어 모터 제품 44
그림 2.2. 공작기계 이송테이블 구동용 150N급 Hybrid-type LPM 45
그림 2.3. 원자로의 제어봉 구동장치용 Tubular-type LPM 45
그림 2.4. 용인경전철 추진시스템용 LIM의 차상 Primary와 지상 리액션 플레이트 46
그림 2.5. LIM 방식의 추진 기술 국내 적용 현황 46
그림 2.6. 상전도 LSM 추진시스템 시작품 47
그림 2.7. SERAPHIM 열차 concept (Vertical reaction plate 방식) 50
그림 2.8. 국외 LSM 방식 추진 철도 50
그림 2.9. 국내의 초전도 전자석 개발 사례 52
그림 2.10. 일본 초고속 자기부상열차의 LSM 추진용 초전도 전자석 52
그림 2.11. 초전도체 개발 현황과 2세대 고온초전도 선재 54
그림 2.12. 한국전기연구원이 개발한 30kW급 CPS 55
그림 2.13. KAIST의 서울대공원 코끼리 열차 급전선로 55
그림 2.14. 고속철도용 비접촉식 급전 전력 시스템 배치도 56
그림 2.15. 독일 초고속 자기부상열차의 유도급전 시스템 56
그림 2.16. 독일 초고속 자기부상열차의 유도급전 시스템 57
그림 2.17. 토공구간용 포장궤도 개발 완료 57
그림 2.18. 본선 시험부설(서울메트로 서울-남영역) 57
그림 2.19. 콘크리트 궤도 시공 순서 58
그림 2.20. 일본의 노반 보강 59
그림 2.21. MIT Soljacic 교수팀(좌) 및 Sony의 무선전력전송형 TV(우) 64
그림 2.22. SPS를 이용한 무선전력전송 개념도 66
그림 2.23. 무선전력전송을 이용한 무인비행기(Sharp) 66
그림 2.24. 파워캐스트의 에너지 전송 개념도 67
그림 2.25. 초음파를 이용한 에너지 전송 특허 68
그림 2.26. 공진을 이용한 무선전력전송 개념도 68
그림 2.27. 공진을 이용한 무선전력전송에 의해 변화되는 사무실 개념도 69
그림 2.28. IDF 2008에서 발표된 인텔의 WREL 기술 70
그림 2.29. 비접촉 변압기의 자기 유도 방식 70
그림 2.30. 스플래시 파워사(좌) 및 와일드 차지사(우)의 충전 패드 71
그림 2.31. 풀톤의 이커플드(좌: 제품 개념도, 우: 자동차 콘솔 박스용) 72
그림 2.32. 동경대 그룹의 무선전력전송 시트(좌) 및 실험 결과(우) 73
그림 2.33. 아크집전의 개념도 76
그림 2.34. 아크집전과 유도급전의 장단점 76
그림 2.35. 일본 하코네 산악 철도(내부동력 Ropeway 방식) 79
그림 2.36. 산악용 Funicular 운행 사례 80
그림 2.37. Ropeway 방식의 도심형 순환 철도 운행 사례 81
그림 2.38. 융프라우 산악철도 노선 82
그림 2.39. 융프라우 산악철도 재원 83
그림 2.40. 일본 시즈오카 산악 철도 83
그림 2.41. 노르웨이 플롬 84
그림 2.42. 프랑스 몽블랑 익스프레스 84
그림 2.43. 대만 아리산 산림철도 85
그림 2.44. 미국 콜로라도 스프링스 85
그림 3.1. 차상코일과 지상코일 86
그림 3.2. 크기 2ι×2b의 직사각 코일 1[이미지참조] 87
그림 3.3. 크기 2ι×2b의 직사각 코일 2[이미지참조] 88
그림 3.4. 각 축 방향의 자기장 분포 90
그림 3.5. 차상부분 코일과 지상부분 코일 91
그림 3.6. 인근 코일에서 단일 코일로부터 받는 유도기전력 92
그림 3.7. 페이저 다이어그램 1 93
그림 3.8. 페이저 다이어그램 2 93
그림 3.9. 상호 인덕턴스 계산을 위한 차상코일과 지상코일 95
그림 3.10. DC Source 8kW 20V 400A 99
그림 3.11. 지상 코일과 차상 코일 회로도 99
그림 3.12. Full bridge 인버터의 동작 100
그림 3.13. 레일의 Coil 배치도 101
그림 3.14. 2상 코일에서의 전류 제어 인버터의 출력 전류 102
그림 3.15. 전류 제어 인버터에 의한 각 Period에서의 지상 2상 코일의 출력 전류 및 극성 분포 104
그림 3.16. 2상 지상코일에서의 극성 변화 분포도 105
그림 3.17. LPM용 전류제어 인버터의 시뮬레이션 분석 모델링 106
그림 3.18. LPM용 전류제어 인버터의 시뮬레이션 분석 결과 106
그림 3.19. 공심형 2상 1열 중첩구조 지상권선 107
그림 3.20. 공심형 2상 1열 중첩구조 LPM의 자속밀도 분포도 107
그림 3.21. 공심형 2상 1열 중첩구조 LPM의 공극자속밀도 108
그림 3.22. 2상 1열 중첩구조 LPM의 부하각별 추력발생 특성 108
그림 3.23. LPM 시제품의 지상권선 109
그림 3.24. 제작된 축소형 LPM 제어용 인버터 시제품 109
그림 3.25. 제작된 축소형 LPM 추진시스템 및 차량 시제품 109
그림 3.26. 지상코일의 입력전류 200A, 0.5Hz 계측 결과 110
그림 3.27. 기동 시의 역기전력 파형을 이용한 위치 검증 신호 111
그림 3.28. 실 주행 시 역기전력 파형 및 LPM 제어신호 111
그림 3.29. 초전도 선재의 임계특성 곡선도 112
그림 3.30. 최대 수직 자장에 따른 임계전류 곡선 113
그림 3.31. 초전도 선의 세부 구성 113
그림 3.32. 고온 초전도 선의 V-I 특성 측정을 위한 4단자법 114
그림 3.33. 임계전류 측정을 위한 장비 구성 115
그림 3.34. LabVIEW 프로그램 구성 115
그림 3.35. 제조사별 고온 초전도 선재의 임계 전류 특성 그래프 116
그림 3.36. 초전도 선재 특성평가 장치 118
그림 3.37. 운전온도와 외부자장 조건에 따른 초전도 선재의 임계전류 측정 결과-1 119
그림 3.38. 운전온도와 외부자장 조건에 따른 초전도 선재의 임계전류 측정 결과-2 120
그림 3.39. 레이스 트랙형 코일과 솔레노이드 코일의 형상 121
그림 3.40. 더블 팬케잌 마그넷의 성분별 전자기력 분포 122
그림 3.41. 더블 팬케잌 마그넷의 성분별 자장 분포 123
그림 3.42. 더블 팬케잌 마그넷의 성분별 전류밀도 분포 124
그림 3.43. 원형 필라멘트 코일 125
그림 3.44. 솔레노이드의 해석 모델 127
그림 3.45. 최적설계 프로그램 구성도 130
그림 3.46. 진화 알고리즘의 구성도 132
그림 3.47. 초전도 더블 팬케잌 코일 기본 설계조건 도식도 133
그림 3.48. 더블 팬케잌 코일의 수직자장 분포 134
그림 3.49. 초전도 임계전류 특성곡선을 이용한 운전전류 산정 135
그림 3.50. 초전도 더블 팬케잌 코일 도식도 141
그림 3.51. 초전도 마그넷과 극저온 냉동기의 체결 142
그림 3.52. 최종 구성도 142
그림 3.53. 1상 여자 방식 143
그림 3.56. 2상 여자 방식 144
그림 3.57. 1-2상 여자 방식 145
그림 3.58. 레이스 트랙의 구성 146
그림 3.59. Opera-3D로 구현된 레이스 트랙 146
그림 3.60. 영역별 공기층 생성 146
그림 3.61. 영구 자석의 해석 시작점과 종료점에서의 위치 148
그림 3.62. 영구 자석의 극성과 해석 결과 148
그림 3.63. 전자석의 해석 시작점과 종료점에서의 위치 149
그림 3.64. 전자석의 극성과 해석 결과 150
그림 3.65. 초전도 자석의 해석 시작점과 종료점에서의 위치 151
그림 3.66. 초전도 자석의 극성과 해석 결과 152
그림 3.67. 영구 자석, 전자석, 초전도 자석의 속도와 이동거리 비교 153
그림 3.68. 축소형 LPM용 계자자석의 대차 하부 취부 위치 이미지 155
그림 3.69. 비자성 SUS 재질의 축소 대차 및 자석 커버 설계 도면 156
그림 3.70. 비자성 SUS 재질을 이용한 자석 고정지그 제작 시제품 157
그림 3.71. 전기적 방전의 전압-전류 특성 158
그림 3.72. 전계분포해석모델 173
그림 3.73. 해석모델의 전위분포 174
그림 3.74. 해석모델의 전계분포 174
그림 3.75. 인가전압에 대한 최대전계의 세기 174
그림 3.76. 거리에 따른 최대전계의 세기 174
그림 3.77. 봉-평판전극 형상에 따른 전계 분포 174
그림 3.78. 회전판 전극의 전계 및 전위 분포 175
그림 3.79. 시작품 제작(안) 176
그림 3.80. 축소형 아크집전장치 시작품 및 시험사진 177
그림 3.81. 아크집전 회전전극 및 아크방전 시험 178
그림 3.82. 전극간 거리 및 회전속도에 따른 집전 특성 178
그림 3.83. 정지시 아크발생에 따른 전압 및 전류 @전류=15 A, 전압=200 V 179
그림 3.84. 회전시 아크발생에 따른 전압 및 전류 @전류=15 A, 전압=500 V, rpm=150 179
그림 3.85. 퍼지이론을 이용한 이격제어 블록도 180
그림 3.86. 이격제어 시뮬레이션 결과 180
그림 3.87. Balanced beam system 181
그림 3.88. PID controller model 181
그림 3.89. Position controller model 182
그림 3.90. Current controller model 182
그림 3.91. Magnetic bearing model 183
그림 3.92. Plant model 183
그림 3.93. System model 184
그림 3.94. Position graph 184
그림 3.95. Current graph 185
그림 3.96. Rotor-bearing configuration 185
그림 3.97. Decentralized control 189
그림 3.98. Flywheel system simulation model 189
그림 3.99. 0~10,000 rpm 까지의 로터 거동(좌:A, 우:B) 190
그림 3.100. 20,000 rpm 에서의 로터 거동(좌:A, 우:B) 190
그림 3.101. Simulation step-time setup 191
그림 3.102. External disturbance force simulation 191
그림 3.103. Disturbance frequency: 10kHz, disturbance amplitude: 500, simulation time-step: 1usec 192
그림 3.104. Disturbance frequency: 100Hz, disturbance amplitude: 500, simulation time-step: 1usec 192
그림 3.105. Disturbance frequency: 1kHz, disturbance amplitude: 100, simulation time-step: 100usec 193
그림 3.106. Disturbance frequency: 1kHz, disturbance amplitude: 100, simulation time-step: 810usec 193
그림 3.107. 회전하는 원판에서의 응력 198
그림 3.108. 플라이휠의 반경에 따른 최고 회전속도 200
그림 3.109. 1차 회전체 설계 안 201
그림 3.110. ANSYS 해석을 통해 얻은 1차 설계 회전체의 굽힘 유연 모드 202
그림 3.111. 플라이휠 디스크와 회전축을 분리한 2차 설계안 203
그림 3.112. 플라이휠 디스크의 원심력에 의한 변형 해석 203
그림 3.113. ANSYS 해석을 통해 얻은 1차 설계 회전체의 굽힘 유연 모드 204
그림 3.114. 반경방향 자기베어링 설계 파라미터 206
그림 3.115. 반경방향 자기베어링 설계 안 206
그림 3.116. 반경방향 자기베어링에 대한 유한요소해석 결과 207
그림 3.117. 축방향 자기베어링 설계 안 208
그림 3.118. 축방향 자기베어링에 대한 유한요소해석 결과 208
그림 3.119. 5kW 40,000rpm 영구자석형 동기전동기 설계 안 209
그림 3.120. 일반적인 전류증폭기 구조 209
그림 3.121. 단순 형상의 회전체 215
그림 3.122. 단순 형상 회전축의 critical speed map 216
그림 3.123. 회전축 설계안의 critical speed map 217
그림 3.124. 불평형질량 응답(unbalance response) 218
그림 3.125. 소형 플라이휠 에너지 저장장치 설계안 219
그림 3.126. Base 221
그림 3.127. Lower backup bearing housing 221
그림 3.128. 앵귤러 볼베어링 및 조합 앵귤러 볼 베어링 222
그림 3.129. Motor Housing 222
그림 3.130. Thrust Plate 223
그림 3.131. Thrust Housing 223
그림 3.132. Lower Thrust Bearing(좌) 및 Upper Thrust Bearing(우) 224
그림 3.133. Upper AMB housing 224
그림 3.134. Sensor plate 225
그림 3.135. Sensor Amps and Holder 225
그림 3.136. 양단 암나사(좌) 및 단부 수나사(우) 226
그림 3.137. System housing 226
그림 3.138. 편성도(3모듈 1편성) 230
그림 3.139. 일반도 상세 - MC 230
그림 3.140. 실내 배치도(1편성) 230
그림 3.141. 기기 배치도(1편성) 231
그림 3.142. Capacity(1편성) 231
그림 3.143. 차체 AL Profile 형상 232
그림 3.144. 차체 3D 형상 233
그림 3.145. 대차 기본 형상 233
그림 3.146. 평지주행용 대차 조립도(MC) - 기 개발된 대차 적용 234
그림 3.147. 등반주행용 대차 조립도(M) 234
그림 3.148. 등반주행용 대차 프레임 조립도(M) 235
그림 3.149. 등반주행용 대차 3D 형상(M) 235
그림 3.150. 등반주행용 대차 윤축 조립도 236
그림 3.151. 무가선 산악트램 탄성기어 상세도 236
그림 3.152. 등반대차 견인용량 증가에 따른 최대속도 비교(최대구배 : 180‰) 237
그림 3.153. 견인전동기 구동조건에 따른 구배별 최대속도 추정 238
그림 4.1. LPM 적용 철도차량 개념도 239
그림 4.2. 기존 철도차량 추진시스템의 한계 242