슬롯 고조파를 고려한 자기부상열차용 선형동기전동기 설계에 관한 연구

Abstract

자기부상열차용 선형동기전동기(LSM)의 이동자는 차량에 장착되며, 돌극 형태의 권선 계자를 갖는다. 한편, 고정자는 열차의 선로가 되며, 제작상의 편의를 위해 개방 슬롯을 갖는다. 이러한 LSM의 구조적인 특성으로 슬롯 고조파의 영향이 매우 크게 발생한다. 따라서 슬롯 고조파를 고려하지 않는 일반적인 설계 방법으로는 설계 오차를 크게 만들며, 많은 시행착오를 발생시켜서 설계 기간을 늘리는 원인이 된다. 한편, LSM의 고정자는 열차 선로에 해당하므로 LSM의 적층길이를 줄이면 그만큼 선로 건설비를 절감할 수 있다. 그러나 동일 성능을 유지하기 위해서는 줄어든 적층길이만큼 공극 자속밀도를 높여야 하며, 과도할 경우 철심에서 자속 포화가 발생하여 LSM의 성능 저하로 이어진다. 따라서 자속 포화를 고려하면서 최소 적층길이를 산정할 수 있는 LSM 설계 기법이 요구된다. 본 논문은 150m 길이의 단거리 시험선 운행을 위한 자기부상열차용 LSM의 설계를 목표로 하며, 자기부상열차용 LSM의 특성을 고려한 설계 프로세스를 제안하여 기초 설계를 수행하였다. 이 설계 프로세스는 자속 포화를 고려한 최소 적층길이 산정 알고리즘이 기본적으로 포함되며, 설계의 정확도 향상을 위해 슬롯 고조파를 고려한 부상력 및 역기전력 계산 루틴이 추가되었다. 이를 위해서 슬롯 형상을 고려한 비퍼미언스 파형과 프린징 효과를 고려한 기자력 파형의 계산식을 도출하였으며, 이를 통해 공극 자속밀도 파형과 한 주기에 대한 부상력 및 역기전력 파형을 구했다. 이러한 계산 방법의 타당성을 입증하기 위해 유한요소해석 결과와 비교하였다. 한편, LSM 최종 설계 모델은 포스 리플 저감을 위해 이동자에 pole shifting 기법이 적용되었으며, 이에 대한 설명을 추가하였다. 마지막으로 자기부상열차 단거리 시험선을 건설하고 LSM의 성능 측정 시험을 실시하여 설계의 타당성을 입증하였다.