電磁系와 機械系 해석에 의한 超高速 전차선로 시험 시스템 개발에 관한 硏究

Abstract

본 논문은 초고속 전차선로 시험시스템에 대한 요소기술 연구로써 전기계와 기계계의 유한요소해석을 통하여 요소기술을 개발하였다. 단거리 주행선을 가지고 초고속 전차선로 시험시스템을 구축하기 위해서는 충분한 가감속 능력을 가진 구동기기가 필요하며 이러한 능력을 가진 구동기로서는 기계적인 구동기기보다 전기적인 구동기기가 유리하며 전기적 구동기기 중에서 일반적으로 사용되는 회전기 보다 선형 전동기가 우수한 특성을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 선형기기 중 가장 구동능력이 우수한 선형동기전동기의 용량산정 및 최대 추력, 최소 디텐트력을 달성하기 위한 설계에 대한 연구를 실시하였다. 연구의 구체적인 사항은 우선 시간차분법에 의한 목표 속도를 달성하기 위한 용량을 산정하고 이러한 용량의 선형동기전동기의 기본 사양을 연구하였다. 또한 구해진 기본사양의 선형동기전동기의 성능을 향상하기 위하여 전자계 해석을 기초로 한 최적설계를 하였다. 최적설계기법으로는 다구찌법에 의한 실험계획법을 실시하여 주요 인자에 대한 회기 방정식을 유도하고 이 회기 방정식을 이용하여 반응표면법을 이용한 최적화를 실시하여 최대 추력, 최소 디텐트력의 성능을 만족할 수 있는 설계치를 도출하였다. 또한 400Km/h급 전차선로- 팬터그래프의 특성변수 모의실험이 가능하도록 전차선로-팬터그래프의 사이의 동역학 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 변수 축약 대입을 위한 기초 프로그램을 완성하였다. 본 프로그램은 유한 요소법을 기초로 기존의 현(string) 요소뿐만 아니라 빔(beam) 요소를 사용하여 3개의 자유도를 갖는 모델을 해석함으로서 정밀도의 대폭적인 향상을 이룩하였다. 여기서 개발된 프로그램의 정밀도를 확인하기 위하여 유럽 규격(EN50318)에 규정된 기준모델에 대한 시뮬레이션을 실시하여 그 결과의 정확성을 확인할 수 있었다. 또한 개발 프로그램을 350Km/h의 속도에 대하여 모의실험을 실시한 결과 이선율에 대한 검토가 가능하게 되었다. 본 프로그램을 전차선로의 설계에 이용하기 위하여 400Km/h의 전차선로 특성 변수 모의실험을 통하여 전차선로의 경간과 장력 등의 설계 변수에 대한 설계치를 도출할 수 있었다. 본 연구 결과 초고속 주행시험기의 개발에 필요한 구동 시스템가 관련된 하드웨어적인 요소기술을 전자계 해석을 통하여 성공적으로 개발할 수 있었으며 기계적 동역학 프로그램의 완성에 의해 400Km급의 전차선로를 정확하게 모의 실험하여 중요한 설계인자를 결정할 수 있는 기술적인 토대를 마련하였다.; The catenary-pantograph which supplies electric energy through sliding contact accompanied with mechanical interactive movements is one of the determinative factors of maximum speed in electric railway. Therefore the dynamic characteristics between catenary and pantograph which are directly related to the current collection quality should be tested and verified in the test track. This paper describes the feasibility study for developing the very high speed catenary-pantograph run tester through electromagnetic and mechanical finite element method analysis. A competent driver is required to propel the truck of the catenarypantograph testing facility up to the high speed within a restricted short length track. In terms of propulsion capability, the electrical driver rather than mechanical one, linear driver rather than rotary one is proven to be more competent. Therefore, in this study, the optimal design of the linear synchronous motor as the driver for this testing facility is reviewed especially in the subjects such as motor capacity, maximum thrust force and minimum detent force. In this paper, firstly, propulsion linear motor rating and desirable specifications based on the target distance-speed curve through various simulation of LSM are discussed. Motor performance, especially detent force minimization on various design schemes has been investigated in detail by using FEM(Finite Element Method). Simulation-based DOE(Design of Experiments) method is also applied in order to reduce the large number of cases for analyses according to the relationship between design variables and the effect among variables. The linear motor parameters are proposed as a result of optimization and the performance of designed motor is confirmed to be satisfactory as a propulsion driver of this testing facility. Secondly, the development of catenary-pantograph dynamic interaction simulation program is studied. This simulation program is required to apply the extrapolation method to the analysis of current collection performance data collected on this scale-downed testing facility. The accuracy of developed program which is based on the beam modeled as catenary and FEM is verified comparatively by the european standard EN50318 and KTX various testing data. As a good use of this program, the catenary of 350km/h is studied and some main parameters are proposed. Finally, it is explained that the speed-scale-downed testing facility can be a valid current collection performance tester in case of using the developed dynamic simulation program as a mapping tool for the speed difference between testing facility and speed-real-scale catenary and/or pantograph system.