철도차량용 전기기계식 제동장치의 비상제동력 요구조건 및 정적제어 평가

초록

최근 선진 철도차량 제작업체는 기존 공압식 제동장치의 공기압축기, 제동공기통 및 제동 배관의 복잡한 구조 및 차량의 유지보수를 위한 관리 문제로 인하여 공압식 제동장치를 대체하기 위한 새로운 형태의 전기기계식 제동장치(Electro-mechanical Brake, EMB) 개발을 활발히 진행중이다. EMB는 모터의 정지상태(Stall)의 토크를 제어하여 제동장치에 적용하기 위한 방식으로 고안되었으며, 고속철도차량의 경우 비상제동 상태에서의 요구 압부력이 최대 압부력 출력으로 약 50-60 kN 수준이 필요하다. 본 논문에서는 국내 최초로 개발된 동력분산식 고속철도차량(HEMU-430X)에 적용된 공압식 캘리퍼의 구동축 구조를 모터의 회전토크에서 발생하는 힘 전달이 가능하도록 하는 EMB 구조로 제안하였으며 최대압부력 출력이 가능하도록 하기 위한 모터의 출력토크 결과를 도출하였다. 캘리퍼를 구동하기 위한 모터는 단위면적 당 출력밀도를 향상 시키기 위하여 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)를 적용하였다. EMB 캘리퍼는 고토크 출력을 위해 높은 감속비를 필요로 하며 IPMSM의 출력단과 캘리퍼 구동부에 1차와 2차 감속기가 적용되었다. 모터의 제어는 3상 인버터가 적용되어 벡터제어를 기반으로 한 위치제어, 속도제어 및 전류제어를 수행하였다. EMB의 가용성을 평가하기 위하여 설치지그를 통한 각 제동지령 단계별 제동압부력이 제어됨을 보였으며, 요구조건으로 계산된 최대 압부력이 안정적으로 출력됨을 실험결과로 보였다.