출력식 유도를 통한 와전류 브레이크의 제동력 향상 설계

Abstract

최근 대형버스의 보조제동장치 감속성능 기준이 강화됨에 따라 보조제동장치원으로써 전기식 리타더라고도 불리는 와전류 브레이크에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한 철도 차량에서는 보조제동력으로 사용되는 공기제동력이 느린 응답 특성과 큰 부피, 유지 보수면에 불리하여 이를 대체하고자 와전류 브레이크에 대한 연구가 수행되고 있다. 와전류 브레이크는 비접촉식 구조를 가지고 있으며, 전기식 입력을 받아 동작한다. 따라서 와전류 브레이크는 마찰이 발생하지 않는 특징으로 인해 유지 보수와 열적 특성 면에서 유리하며, 전기식 입력을 받아 동작함으로 인해 응답 속도가 빠르다는 장점이 있다. 와전류 브레이크 구조는 선형, 디스크, 엑시얼, 드럼 구조로 나뉜다. 본 논문에서는 작은 공극 길이와 출력면에서 우수한 드럼 구조를 가지는 와전류 브레이크의 설계에 대한 연구를 수행하였다. 드럼형 와전류 브레이크는 와전류 손실을 증가시키기 위하여 드럼영역이 통철로 구성된다. 또한, 와전류 브레이크는 드럼단에서 발생하는 와전류 손실을 정확히 예측하기 위하여 유한요소해석을 통해 설계가 되고 있다. 하지만 드럼 영역에 상대적으로 큰 메쉬수가 요구되며 광범위한 운전속도영역으로 인해, 설계과정에서 시간과 노력이 많이 필요하다는 단점을 가진다. 본 논문에서는 외전형 다극 구조 와전류 브레이크에 대한 출력식을 유도하여, 설계 시간을 단축시키는 연구를 수행하였다. 와전류 브레이크는 회전자영역에서 발생한 와전류 손실이 모두 제동력으로 이용되며, 와전류 손실영역은 옴의 법칙에 의해 치 끝단 사이의 각도로 간소화 시킬 수 있다. 또한, 드럼단이 통철 구조를 가짐으로 인해, 표피효과와 전기자 반작용 현상이 크게 나타난다. 따라서 와전류 브레이크 출력식은 표피효과와 자기레이놀즈 수를 도입하여 최종적인 출력식을 얻어내었다. 또한, 본 논문에서 제시한 출력식을 입증하기 위하여 철도차량용 와전류 브레이크의 설계를 예로 들어 연구 결과의 타당성을 입증하였다.; With the recent improvements in the deceleration performance of auxiliary braking devices in buses, there is a growing interest in the use eddy current brakes, also called electric retarders, as auxiliary braking devices. Additionally, air brakes which are used in railway vehicles rely on pneumatic systems which have many disadvantages like slow response characteristics and large volume and maintenance requirements. Eddy current brakes have high potential as a viable alternative. Eddy current brakes are a non-contact braking system and operate by receiving an electrical input. Since friction does not occur, they have advantageous maintenance and thermal characteristics. Additionally, their response speed is faster than regular braking systems since they operate by receiving an electrical input. This paper studies the design of eddy current brakes with a drum structure, which has superior output power. Drum type eddy current brakes consist of non-laminated iron in the drum area to increase eddy current loss. They are designed using finite element analysis to accurately predict the eddy current loss occurring in the drum. However, since the drum region requires a relatively large number of meshes and the eddy current brake has a wide operating speed range, a lot of time and effort is required for the design process. In this paper, the design time is reduced by deriving the output equation for an eddy current brake with a multipole structure. In eddy current brakes, the eddy current loss generated in the rotor region is used as the braking force. The eddy current loss region can be simplified to the angle between the teeth ends, using Ohm's law. In addition, since the drum is composed of non-laminated iron, the skin effect and the armature reaction phenomenon are considerable. Therefore, the final output equation is obtained by introducing the skin effect and the magnetic Reynolds number. The output equation was verified using the design of an eddy current brake for railway cars as an example.