고속철도차량의 인보드대차 적용을 위한 견인전동기의 설계 및 성능해석

백승구(Seung-Koo Baek),최성훈(Sung-Hoon Choi) 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.10

본 논문은 고속철도용 인보드 대차에 적용하기 위한 견인전동기 시스템의 설계 프레임워크를 다룬다. 최근 유럽에서는 새로 제작되는 철도차량에 인보드 대차 시스템을 적용하는 사례가 늘어나고 있으나, 국내에서는 개발 및 적용 사례가 없다. 인보드 대차는 아웃보드 대차에 비해 차량 중량과 주행 저항을 줄일 수 있는 기술이다. 이러한 장점에도 불구하고, 차축에 설치되는 베어링이 차륜의 안쪽에 위치하기 때문에 대차의 내부 공간의 효율적 활용, 견인전동기와 감속기 간의 최적화 설계 및 개선된 인터페이스가 요구된다. 본 논문에서는 최고운영속도 400km/h를 위한 고속철도차량의 동적특성곡선 설계를 통한 견인전동기의 설계목표를 선정하고 동일 설계목표에 대한 기존 감속기(driving gear)를 통한 동력전달 구조와 직접구동모터의 두가지 설계를 제안하였다. 또한, 아웃보드 대차가 설치된 국내 차세대고속철도차량(HEMU-430X)의 유도전동기의 출력대비 40% 이상 출력 증가를 위해 매입형 영구자석 동기전동기 구조의 적용, 극수 증가 및 수냉식시스템 적용을 통한 설계 및 해석결과를 제시하였다. 설계된 견인전동기는 유한요소분석(FEA)을 통한 전기자계해석 상용 소프트웨어인 JMAG(Ver. 22.1, JSOL)을 활용한 해석결과로 설계 타당성을 보였다. This paper deals with a design framework for a traction motor system for inboard bogies for high-speed rail. Recently, there have been increasing cases of applying an inboard bogie system to newly manufactured trains in Europe, but there have been no cases of development and application in South Korea. Inboard bogies are a technology that can reduce vehicle weight and running resistance compared to outboard bogies. Despite these advantages, the bearings installed on the axle are located inside the wheel, so efficient use of the internal space of the bogie, optimized design, and improved interface between the traction motor and driving gear are required. In this study, a design goal was selected for the traction motor through dynamic characteristic curve design of a high-speed train (HST) for a maximum service speed of 400 km/h. A combined structure of a traction motor and driving gear, which are mainly used in the traction system for an HST, and a direct drive motor (DDM) are suggested for the same design goal. In addition, design and analysis results were obtained by applying an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) structure, increasing the number of poles, and applying a water cooling system. The output was increased by more than 40% compared to the output of the induction motor of a domestic next-generation HST (HEMU-430X) with an outboard bogie. The designed traction motor showed design feasibility through analysis results using JMAG (Ver. 22.1, JSOL), which is commercial electromagnetic field analysis software that uses finite element analysis (FEA).

5상 유도전동기 구동 시스템을 위한 인버터의 개방고장진단 방법

백승구(Seung-Koo Baek),신혜웅(Hye-Ung Shin),강성윤(Seong-Yun Kang),박춘수(Choon-Soo Park),이교범(Kyo-Beum Lee) 대한전기학회 2016 전기학회논문지 Vol.65 No.2

This paper proposes a fault diagnosis method for an open-fault in inverter driving five-phase induction motor. The five-phase induction motor has a high output torque and small torque ripple in comparison to three-phase. The best advantage of the five-phase induction motor is fault diagnosis and tolerant control using redundancy of phases. This paper uses an inverter as a power converter for driving a five-phase induction motor. If a switch of inverter occurs to the open-fault, this problem is the influence on the output current and output torque. To solve this problem, there is need of an accurate diagnosis and fault switch distinction. Therefore, this paper propose a fault detection method of the open-fault switches for the fault diagnosis. First, analyzing the pattern for the open-circuit fault of one phase. next, analyzing the pattern for the open-circuit fault of each inverter switches. Through the pattern analysis, It defines the scope of each of the failure switch. Thereafter, By using an algorithm that proposes to perform a fault diagnosis method. The proposed algorithm is verified from the experiment with the 1.5 kW five-phase induction motor.

고속철도차량용 전기기계식제동장치의 정적 압부력 성능평가

백승구(Seung-Koo Baek),오혁근(Hyuck-Keun Oh) 대한전기학회 2020 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2020 No.10

반응표면분석법에 의한 매입형영구자석동기전동기의 토크와 토크리플을 고려한 설계기법

백승구(Seung-Koo Baek),전창성(Chang-Sung Jeon) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.6

매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)의 회전자 자석의 크기 및 위치와 고정자 슬롯의 크기는 출력 토크 및 토크 리플률 특성에 영향을 준다. 본 논문은 반응표면 분석법(RSM : Response Surface Methodology, 이하 RSM)을 이용한 IPMSM의 토크와 토크 리플률(ripplerate) 향상을 위한 최적설계 방법에 대해 다룬다. 토크 출력과 토크 리플률에 영향을 주는 설계변수에 대하여 Plackett-Burmann(PB, 이하 PB)의 민감도 분석을 통해 토크 출력 및 토크 리플 두 가지 목적함수에 영향이 큰 설계변수를 도출하였다. 도출된 목적함수로부터 2차 설계변수를 선정하였으며 중심합성계획법(CCD : Central Composite Design, 이하 CCD)에 따른 실험계획표 정의 및 해석결과를 통해 RSM의 2차 회귀모형 함수를 추정하였다. 2차 회귀모형함수는 분산분석표(ANOVA table)를 활용한 검증 기준을 통해 신뢰성을 가짐을 확인하였다. 실험계획표에 따른 해석은 유한요소법(FEM : Finite Element Method, 이하 FEM) 해석 소프트웨어인 JMAG을 통하여 실험 결과를 확인하였다. 최적화된 최종 설계변수를 적용한 IPMSM의 최적설계 결과는 토크와 토크 리플률을 모두 고려할 경우, 토크 출력은 11.5 % 증가하였으며 토크 리플률은 9.1 % 감소하였다. The characteristics of the torque and torque ripple of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) are influenced by the size and position of the rotor magnet and the size of the stator slot. This paper deals with the optimal design method for improving torque and torque ripplerate for IPMSM using Response Surface Methodology(RSM). Two objective functions of torque output and torque ripple were derived from the sensitivity analysis by Plackett-Burmann(PB) for the characteristic variables affecting torque and torque ripple. Secondary characteristic variables were selected from the derived objective function and RSM secondary regression model function was estimated by the experiment schedule and analysis results according to the Central Composite Design (CCD). The reliability of the secondary regression model was verified using ANOVA table. The analysis according to the experimental schedule was verified by JMAG(Ver. 18.0) which is Finite Element Method(FEM) software. The torque output of IPMSM applied with final characteristic variables was increased torque output by 11.5 % and the torque ripplerate was reduced by 9.1 %.

고속철도차량의 EMB 적용을 위한 3상 IPMSM의 설계 및 제동압부력 제어

백승구(Seung-Koo Baek),오혁근(Hyuck-Keun Oh),곽민호(Min-ho Kwak),김석원(Seog-Won Kim) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.4

본 논문은 고속철도차량에 전기기계제동장치(EMB : Electric Mechanical Brake)를 적용하기 위한 주요 구성품인 3상 매입형영구자석동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 설계방법과 이를 이용한 인버터 제어시스템의 압부력제어 시뮬레이션 방법을 제안한다. 최근 자동차에서 주로 사용하는 유압식 제동장치는 유압을 발생시키기 위해 필요한 오일류와 유압 라인의 관리, 유지보수성 및 유압펌프의 동작으로 인한 효율성 등이 문제로 제기되면서 EMB에 대한 관심이 높아지고 있으나 비용증가 및 안전측면의 보완이 지속적으로 요구되고 있다. 공압식 제동장치를 주로 사용하는 철도차량은 EMB 시스템을 적용할 경우 차량 하부에 큰 공간을 차지하는 공기압축기, 제동공기통 및 연결 배관 등의 부품이 필요하지 않으므로 50% 이상의 소형화가 가능하며 인버터를 적용한 전동기 구동방식으로 인하여 상대적으로 빠른 응답속도와 정밀제어를 통해 공주거리를 단축시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 철도차량은 다수의 제동장치가 제동력을 분담하는 구조로 설계되어 자동차와 비교하여 EMB 적용이 안전측면에서 유리하다. 본 논문에서는 JMAG을 활용하여 고속철도의 제동 캘리퍼와 제동력 출력에 적합한 모터설계 및 전자계해석을 수행하였다. 제동 압부력 제어 시뮬레이션을 위해 기계구동부는 기존 EMB 시스템에 주로 적용된 볼스크류 형태의 동작방식과는 달리 고속철도차량에 적용된 편심축 회전을 이용한 구동방식으로 모델링하였다. IPMSM 제어를 통한 제동압부력 및 제동력 출력결과는 Matlab/Simulink를 활용하여 JMAG의 IPMSM 모델과 co-simulation을 통해 보였으며 결과의 타당성은 차세대고속철도(HEMU-430X)의 제동사양과의 비교를 통해 검증하였다. This paper proposes a design method for a 3-phase interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) and clamping force control method for an electro-mechanical brake (EMB) using co-simulation for a high-speed train (HST). A traditional pneumatic brake system needs much space for the compressor, brake reservoir, and air pipe. However, an EMB system uses up to 50% less space due to the use of a motor and electric wires for controlling the brake caliper. In addition, it can reduce the latency time for brake control because of the fast response and precise control. A train that has many brakes is advantageous for safety because of the control by sharing the braking force. In this paper, a driving method for a cam-shaft-type EMB is modeled. It is different from the ball-screw-type brakes that are widely used in automobiles. In addition, a co-simulation method is proposed using JMAG and Matlab/Simulink. The IPMSM was designed and analyzed with the JMAG tool, and the control system was simulated using Matlab/Simulink. The effectiveness of the co-simulation results of the mechanical clamping force and braking force was verified by comparison with the clamping force specifications of a HEMU-430X HST.

능동판토그래프의 저차제어기 설계

백승구(Baek Seung-Koo),장석각(Chang Seok-Gahk),권성태(Kwon Sung-Tae),김진환(Kim Jin-Hwan) 한국철도학회 2009 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2009 No.5월

This paper presents the design method of low order controller for the active pantograph of electric train system. The pantograph is the most play a role to supply constant current to the train. The design objectives are to have good tracking performance about reference contact force despite the stiffness variation that is like sinusoidal function concerned in train speed or span length of contact wire. In this paper, we consider stiffness variation from external disturbance of active pantograph to simplify model equation, and propose simple second-order controller which is designed by Characteristic ratio assignment(CRA) control method. Finally, we verify time response appling to model equation of real system and frequency response about parameter uncertainty like stiffness variation. it is performed by Matlab version 6.5 and Matlab simulink simulation.

정밀진단지침 개정에 따른 철도차량의 전선열화 시험비교

백승구(Baek Seung-Koo),양도철(Yang Do-Cheol),이창영(Lee Chang-Young),권성태(Kwon Seong-Tae) 한국철도학회 2009 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2009 No.11월

The first Revised Diagnosis Guide(RDG) of Urban Railway Law(URL) has been announced end of July, 2009. This Guide appling to the rolling stocks, which were used for over 25 years. In this RDG offers concrete test methods that are high voltage withstanding test, leakage current test and partial discharge test for deterioration analysis of rolling stock electric cable and include inspection procedure about electric devices like as control unit, relays, static inverter(SIV), Converter/Inverter etc. In this paper, We verify test method of RDG under installed situation on rolling stock of wire and compare test result RDG to not RDG test result that infrared camera was employed to find abnormal heating in wires.

전기기계식제동장치용 감속기일체형모터의 최적설계방법 및 성능평가

백승구(Seung-Koo Baek),신지환(Ji-Hwan Shin),최성훈(Sung-Hoon Choi),김석원(Seog-Won Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.12

고속철도차량에 장착되는 전기기계식 제동장치(EMB : Electro-Mechanical Brake, 이하 EMB)는 약 50 ~ 60 kN 수준의 제동압부력을 필요로 한다. 모터가 사용되는 EMB 구동부는 고토크 출력을 위해 높은 감속비를 필요로 하며 대차 설치로 인한 공간적인 제약 때문에 소형화 설계 및 운행 중 차량하부로부터 발생하는 진동으로 인한 내구성을 가져야 한다. 따라서, 감속기일체형모터(GM : Geared Motor, 이하 GM)의 설계 및 제작기술은 철도차량용 EMB 구동부의 신뢰성 향상을 위해 필요한 기술이다. 본 논문은 GM를 위한 모터 최적설계기법 및 감속기 구조를 다루었다. 모터는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 이하 IPMSM)를 적용하였으며 최적설계기법으로 Plackett-Burmann(PB, 이하 PB)의 민감도 분석을 통한 반응표면분석법(RSM : Response Surface Methodology, 이하 RSM)을 적용하여 최적화설계를 수행하였다. 감속기는 유성기어와 베벨기어의 조합을 통한 동심형 축직각 감속기 형태를 통해 안전측(fail safety) 동작 기능을 갖도록 제안하였다. IPMSM의 최적화 설계를 통하여 초기 설계결과 대비 출력토크는 12% 상승하였으며, 모터축과 감속기의 동심축 연결을 통하여 부피는 25% 감소, 중량은 50% 감소하는 결과를 보였다. GM는 EMB에 설치하여 기본성능시험을 통한 가용성을 평가하였다. An Electro-Mechanical Brake (EMB) mounted on the bogie of a high-speed train (HST) requires about 50 ~ 60 kN clamping force for braking. The EMB driving unit using a motor needs a high reduction gear for high torque output. In addition, the EMB driving unit must be compact owing to the space constraints and need to withstand the vibrations generated from under the vehicle while it is operating. Therefore, the design and manufacture of a geared motor (GM) for improving the reliability of the EMB driving unit for HST are necessary. This paper deals with the motor optimal design method and reduction gear structure of the GM. As part of the design, an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) is used, and the optimization design was performed by applying Response Surface Methodology (RSM) using the Plackett-Burmann (PB) sensitivity analysis. The reduction gear is proposed to have a safety function through the concentric shaft perpendicular reducer using the combination of planetary and bevel gears. Through the optimized design of IPMSM, the output torque increased by 12% compared to the initial design. Simultaneously, the volume and weight had decreased by 25% and 50%, respectively, through the integrated connection of the motor shaft to the reducer. Finally, the GM was installed in EMB, and its availability was evaluated through a basic performance test.

고속철도차량 전기기계식 제동장치의 압부력 성능평가

백승구(Seung Koo Baek),오혁근(Hyuck Keun Oh),김석원(Seog Won Kim) 한국철도학회 2018 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.10

철도용품의 품질인증을 위한 절차 고찰

장석각(Chang Seok Gahk),백승구(Baek Seung Koo),권성태(Kwon Sung Tae) 한국철도학회 2006 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.- No.-

Under the necessity certification of railway supplies, an applicant should check the procedure of urban railway law and the new railway safety law. Currently, the Korean railway standards (KRS), formerly managed by Korea Railroad, have been managed by the Korean Ministry of Construction and Transportation. According to Korean railway safety law and its ordinances, which were committed to Korea Railroad Research Institute. It were established for the guarantee of railway safety, the management of KRS including enactment and revision of technical standards for railway vehicle and components. In this investigation, the detailed management procedure will be introduced for the effective management of Certification of Railway Supplies.