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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.2 pp.89-96
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.2.089

Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis

Hyo-Ryeol Lee*, Jung-Hwan Ahn*, Jin-Oh Shin**, Hwa-Young Kim***#
*School of Mechanical Engineering, Pusan National UNIV.
**R&D Center,Youngdo Industrial Co. LTD.
***Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National UNIV.
Corresponding Author : hyokim@pusan.ac.kr+82-51-510-3087, +82-51-581-3087
December 1, 2015 February 11, 2016 February 12, 2016

Abstract

Growing concerns regarding environmental pollution have increased the demand for green vehicles. Green vehicles include electric vehicles, compressed natural gas vehicles, fuel cell vehicles, and vehicles running on fuels such as bio diesel or an ethanol blend. CNG vehicles are equipped with a cylinder valve installed in a high-pressure vessel to control the CNG flow. For this purpose, the optimum design of cylinder valve solenoid is necessary to secure at driving a CNG vehicle. In this study, electromagnetic field analysis to ensure the reliable operation of the solenoid was conducted by using a Maxwell V15. The electromagnetic field analysis was performed by magnetostatic technique according to distance between magnetic poles in order to predict the attraction force. Finally, the attraction force was validated through comparison between the Maxwell results and the measurement results. From the results, the error of attraction force was found to be 2.85 N to 6.5 N under the testing conditions.


전자기장 해석을 이용한 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드의 설계

이 효렬*, 안 중환*, 신 진오**, 김 화영***#
*부산대학교 기계공학부
**영도산업(주)
***부산대학교 기계기술연구원

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    전 세계적으로 환경문제는 매우 큰 이슈로 자리 매김하고 있으며, 특히 각 국가별로 이산화탄소 발 생 감소의 필요성이 대두되고 있다. 운송수단 중의 하나인 차량의 이산화탄소 발생량을 감소시키기 위 해 환경 친화성과 연료 공급용이성 면에서 장점이 있는 압축 천연 가스 차량(Compressed Natural Gas Vehicle, CNG)이 실용화되었으며, 천연가스는 석유, 석탄에 비하여 연소 시 발생하는 이산화탄소 및 아 황산가스 등과 같은 공해물질의 발생량이 적어 수 요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 천연 가스는 -162 °C 이하의 온도에서 액화되기 때문에 대부분 가스 상태로 200 bar 정도의 고압으로 압축 저장하 여 운행하고 있다.[1]

    특히 고압으로 연료를 저장하는 압력 용기와 용 기에 부착되는 용기용 밸브, 고압 배관의 안전성 확보가 매우 중요하다. 압축 천연 가스 차량의 기 술적 근거에 관해서는 세계적으로 ECE R110 유럽 규격을 신뢰하고 있는 추세이다. 2009년 10월에 개 정되어 2010년에 배포된 ECE R110규격에 의하면 압축 천연가스 차량 용기용 밸브는 수동으로 조작 하여 유로를 개폐하는 장치와 전기적 장치에 의해 유로를 개폐하는 장치가 동시에 장착되어야 하며, 화재, 압력 용기 파열 등의 각종 안전사고로부터 안전성을 확보하기 위해 압력해제 장치, 과류 차단 장치 등의 안전장치 부착을 의무화 하고 있다.[2]

    따라서 본 논문에서는 전자기장 해석을 이용하여 용기용 밸브에서 유로를 개폐하는 역할을 하는 솔 레노이드를 설계하고 실험을 통해 이를 검증하였 다.

    2.압력 용기용 솔레노이드의 구조

    저압에서 사용되는 솔레노이드의 경우 단일 플런 저의 동작으로 유로를 개폐가 가능하지만 200 bar 정도의 고압으로 연료를 저장하는 용기용 솔레노이 드 밸브의 경우에는 단일 플런저 방식을 적용하기 에는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 2단 플런저 방식을 적용한 솔레노이드의 구조를 Fig. 1에 나타 내었다. 솔레노이드 밸브의 구조는 크게 자기장 형 성을 위한 코일, 자기 회로를 구성하는 디스크와 케이스, on/off 동작에 의해 유로를 개폐하는 플런 저 A·B, 코일에서 발생한 자기장에 의해 자화되어 플런저를 흡인하는 요크, 플런저를 복원시키는 스 프링 등으로 구성된다.

    3.솔레노이드 설계식

    3.1솔레노이드의 요구 흡인력 산출식

    솔레노이드에 전압이 인가되기 전 닫혀있는 유로 를 개방하기 위해 필요한 흡인력의 산출이 요구된 다. 용기 내부 유체의 압력에 의해 플런저에 가해 지는 힘을 Ff , 스프링의 예 하중을 Fs , 솔레노이드 동작의 신뢰성을 확보하기 위한 여유율을 c이라 두 면 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 흡인력 FR를 식(1)과 같이 표현할 수 있다.

    F R = c [ F f + F s ]
    (1)

    여기서 스프링의 자유 길이를 lf , 셋팅 길이를 ls, 스프링 상수를 K로 두면 스프링의 예 하중 Fs는 식(2)와 같이 표현할 수 있다.

    F s = ( l f l s ) K
    (2)

    3.2솔레노이드의 요구 기자력 산출식[3]

    솔레노이드에 전압이 인가될 때 코어와 플런저가 자화되어 발생하는 흡인력 FA을 식(3)과 같이 나타 낼 수 있으며, BgS 는 각각 흡인력이 발생하는 공극부의 자속밀도와 단면적을, μ0는 진공의 투자 율을 나타낸다. 공극부의 자속 밀도 Bg는 기자력 U와 공극부의 사이의 거리 d를 통해 식(4)와 같이 표현할 수 있다.

    F A = B g 2 S 2 μ 0
    (3)

    B g = μ 0 U d
    (4)

    기자력은 코일의 권선 수 N과 코일에 흐르는 전 류 I의 곱으로 나타내거나, 식(4)를 정리하여 식(5) 와 같이 나타낼 수 있다.

    U = N I = B g d μ 0
    (5)

    Fig. 2는 Fig. 1의 솔레노이드 코일 보빈과 보빈 에 감겨있는 코일을 단순화하여 나타낸 것이다. 코 일 보빈의 내경을 Bi , 외경을 Bo , 높이를 h, 에나 멜선의 직경을 Cd라 하면 코일 보빈의 축 방향 권 선 수 nc와 반경 방향 적층 수 mc는 식(6), (7)과 같고 두 값의 곱으로 표현되는 코일 권선 수는 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.

    n c = ( h C d ) 1
    (6)

    m c = w C d
    (7)

    N = n c m c
    (8)

    코일에 흐르는 전류는 에나멜선의 절연 층을 제 외한 동선 직경 nd와 비저항 ρ, 1회 코일 권선의 평균 길이 lca를 이용하여 식(9)와 같이 나타낼 수 있다.

    I = V 4 ρ ( l c a N π N d 2 )
    (9)

    l c a = π ( B i + B o ) 2

    일반적으로 코일에 전류가 가해지면 온도가 점차 상승하여 어느 온도에서 포화되어 일정해진다. 온 도 증가는 코일 저항의 상승으로 이어져 솔레노이 드의 흡인력 감소를 초래하며, 솔레노이드의 요구 흡인력과 온도 증가에 의해 감소된 흡인력을 비교 하는 것이 중요하다. 온도 증가에 의한 코일의 저 항 상승값 Rh는 20 °C에서의 코일 저항인 R20과 포화 온도 Th를 이용하여 식(10)을 이용하여 구할 수 있다.[4]

    R h = R 20 × ( 234.5 + T h 234.5 + 20 )
    (10)

    4.솔레노이드 설계 및 전자기장 해석

    4.1솔레노이드 설계

    ECE R110 유럽 규격에 의하면 용기용 밸브의 최 대 허용 압력을 250 bar, 사용 온도 범위를 -40~85 °C로 규정하고 있다. 규정된 사용 조건에서 솔레노 이드가 동작하기 위해서 최대 허용 압력과 최고 사 용 온도 조건에서 유로를 개방하기 위한 솔레노이 드의 요구 흡인력 산출이 요구된다. 식(1)에서 유체 의 압력에 의해 플런저에 가해지는 힘 Ff는 Fig. 3 에서 솔레노이드에 전압이 인가되지 않은 초기 밀 폐 상태에서 플런저 B에 가해지는 기밀력(Z방향)의 합과 같다. 기밀력은 A 영역과 같이 플런저 A, B가 접촉한 면적과 최대 사용 압력인 250 bar를 이용하 여 8.76 N의 결과를 얻었으며, 수평 방향(X방향)의 힘은 중심축 대칭인 플런저 A, B의 형상으로 인해 상쇄된다. 스프링의 자유 길이에서 셋팅 길이로 압 축되면서 발생하는 스프링의 예하중은 식(2)를 이용 하여 3.53 N의 값을 얻었으며 스프링의 사양을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 여기서 신뢰성 확 보를 위한 여유율을 20 %로 두었을 때 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 흡인력은 식 (1)에 의해 14.75 N으로 결정된다.

    솔레노이드 흡인력에 영향을 미치는 설계 조건 중 코일 보빈의 내경, 외경, 높이 및 공극부의 면적 과 거리, 인가전압을 고정값으로 두고, 보빈에 권선 되는 에나멜선의 직경을 설계 변수로 선정하였으며 이를 Table 2에 정리하여 나타내었다.

    Table 3은 ECE R110 규격에 규정된 용기용 밸브 의 사용 온도 범위 중 최저 온도인 -40 °C, 상온인 20 °C와 최고 온도인 85 °C 조건에서 코일 보빈에 권선된 에나멜 선의 직경에 따른 기자력을 식(5) ~ (10)을 이용하여 계산한 결과를 나타낸 것이다.

    공극부의 거리가 1.2 mm이고, 유로 개방에 필요 한 흡인력이 14.75 N 일 때 필요한 공극부의 자속 밀도 값은 식(3)을 이용하여 0.69 T의 결과를 얻었 으며, 자속 밀도 값을 충족시키기 위한 기자력을 식(4)를 이용하여 계산하였을 때 787.27 AT을 얻었 다. 이를 Table 3의 에나멜 선의 직경에 따른 기자 력 계산 결과와 비교하였을 때 85 °C 조건에서 에 나멜 선의 직경이 0.378 mm 이하일 때 요구 기자 력 값을 만족하지 못함을 확인하였다.

    4.2솔레노이드 전자기장 해석

    솔레노이드 설계식을 이용하여 솔레노이드의 요 구 흡인력을 만족하는 에나멜선의 직경 선정의 타 당성을 검증하기 위해 전자기장 상용 소프트웨어인 Maxwell V15를 이용하여 -40 °C, 20 °C와 85 °C 조 건에서 공극부 사이의 거리에 따른 흡인력 변화를 해석하였다. Fig. 4은 전자기장 해석을 위해 단순화 된 솔레노이드의 2D 모델을 나타낸 것이다. 해석에 사용된 온도에 따른 코일의 기자력은 Table 3의 결 과를 활용하였으며, 공극부의 사이의 거리는 0 mm 부터 1.2 mm 까지 0.1 mm 간격으로 설정하였다. 또한 플런저의 자중과 스프링의 탄성력을 고려하지 않았으며, 해석에 사용된 솔레노이드 구성품의 재 질 정보를 Table 4에 나타내었다. 마지막으로 전자 기장 해석에 사용된 격자는 사면체 격자를 이용하 였으며 생성된 격자수는 63,906개이다.

    Fig. 5(a), (b), (c)는 각각 -40 °C, 20 °C, 85 °C 조건에서 에나멜 코일의 직경과 공극부의 거리에 따른 흡인력 변화를 나타낸 것이다. -40 °C조건에서 는 모든 조건에서, 20 °C 조건에서는 에나멜선의 직경이 0.378 mm 이상일 때 요구 흡인력을 만족한 다. 85 °C 조건에서는 온도 상승으로 인한 기자력 의 감소로 에나멜선의 직경이 0.43 mm 이상의 조 건에서 요구 흡인력을 만족한다. 에나멜선의 직경 이 증가할수록 소모 전력이 증가하므로 소모 전력 이 가장 작은 0.43 mm의 에나멜선이 가장 적절하 다. 앞의 솔레노이드 설계식을 이용하여 선정한 에 나멜선의 직경과 전자기장 해석 결과를 비교하였을 때 다소 차이가 발생하며, 이는 자기 회로에서 발 생하는 자기력 손실 때문이라 사료된다.

    5.솔레노이드 성능평가 시험

    Fig.6은 0.43 mm 직경의 에나멜선을 이용하여 제 작한 솔레노이드의 시제품과 흡인력 측정 장치 구 성을 나타낸 것이다. 흡인력 측정 장치는 솔레노이 드, 로드셀, 레이저 변위센서, 리니어 스테이지, 전 원공급기, 데이터 수집 장치로 구성된다. 시험 방법 은 공극부의 간격을 조절하기 위해 상하방향으로 이송이 가능한 리니어 스테이지에 솔레노이드를 고 정시킨다.

    다음으로 요크와 플런저의 자화로 인해 발생하는 흡인력을 측정하기 위해 고정된 솔레노이드의 동일 중심축 선상에 로드셀을 고정시키고, 플런저 A를 로드셀에 체결하여 흡인력이 로드셀에 전달되도록 하였다. 그리고 플런저 B와 코어가 완전 접촉하는 지점으로부터 0.1 mm 간격으로 리니어 스테이지를 이동시키고 실제 이동 변위를 레이저 변위센서를 이용하여 확인하였다.

    공극부의 사이의 거리 조절이 완료되면 전원 공 급기를 이용하여 솔레노이드에 12 V의 전압을 인 가하고 로드셀로 측정된 흡인력을 값을 데이터 수 집 장치를 이용하여 수집하고 분석하였다.

    성능평가 시험에 사용한 솔레노이드의 경우 전자 기장 해석 결과와 비교하기 위해 20 °C 조건에서 플런저 복귀를 위한 스프링 없이 자기력에 의한 흡 인력만을 측정하였으며, 측정 간격 간 충분한 시간 을 두어 코일의 온도가 일정하도록 유지하였다.

    공극부 사이의 거리가 0 mm인 지점에서는 플런 저와 코어가 완전 접촉하여 흡인력 측정이 불가능 하며 이를 제외한 측정 결과를 Table 5에 나타내었 다.

    측정 결과 값을 전자기장 해석으로 구한 흡인력 과 비교하였을 때 오차는 최소 2.85 N, 6.5 N으로 측정되었다. 오차 발생의 원인은 전자기장 해석에 서 사용된 2D 모델이 Fig. 6의 솔레노이드 중심축 을 기준으로 좌측 부분에 해당하며, 솔레노이드 커 넥터 부분에서 발생하는 자속의 누설을 반영하지 못하기 때문이다. 또한 전자기장해석에서는 플런저 의 자중을 고려하지 않았으나 실제 측정값에서는 플런저의 자중이 반영되기 때문이다.

    5.2고·저온 압력 시험을 통한 성능평가

    ECE R110의 규격에 의하면 용기용 밸브를 -40, 20, 85 °C의 시험 온도에서 최소 8시간 이상 노출 시킨 후 250 bar로 가압하고 밸브 내부 및 외부 누 설을 측정하여 누설이 없거나 20 cc/h 이하를 만족 해야 한다. 이때 용기용 밸브 내부 유로 전체에 시 험 가스를 공급하기 위해 시험 온도에서 솔레노이 드를 동작시켜야 한다. Fig. 7과 Table 6은 시험 온 도에 따른 용기용 밸브의 누설 시험을 위한 고·저온 압력 시험기, 압력시험기에 용기용 밸브가 장착된 모습, 시험 결과를 나타낸 것이다. 시험 결과 -40, 20, 85 °C에서 솔레노이드가 동작하여 용기용 밸브 내부 유로 전체에 압력이 가해짐을 확인 하였으며, 내부 및 외부 누설을 측정결과 누설이 발생하지 않 아 솔레노이드의 설계가 타당함을 확인하였다.

    6.결 론

    본 연구에서는 솔레노이드 설계식과 전자기장 해 석을 이용하여 CNG 차량 용기용 밸브 솔레노이드 를 설계하였다. 설계 목표는 유로 개방에 필요한 솔레노이드의 요구 흡인력을 만족하면서 소모 전력 이 최소가 되는 에나멜 선의 직경을 선정하는 것이 다. 전자기장 해석과 솔레노이드 흡인력 시험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 솔레노이드 설계식과 전자기장 해석을 통해 용 밸브의 사용 온도 범위인 -40~85 °C에서 에나멜 선의 직경이 0.43 mm 이상일 때 유로 개방을 필요 한 흡인력을 만족함을 알 수 있었다.

    2. 에나멜 선의 직경이 증가함에 따라 소모 전력 역시 증가하며 소모 전력이 최소가 되는 0.43 mm 에나멜 선을 이용하여 솔레노이드 시제품을 제작하 였다. 솔레노이드 흡인력 측정 장치를 이용하여 공 극부 거리에 따른 솔레노이드의 흡인력을 측정하였 으며 이를 전자기장 해석 결과와 비교하였을 때 오 차의 최소값이 2.85 N, 최대값이 6.5 N이 발생함을 확인하였다.

    3. ECE R110의 규격에 의한 -40, 20, 85 °C에서 의 용기용 밸브 내·외부 누설 시험을 통해 솔레노이 드의 동작을 확인하여 설계의 타당성을 확인하였 다.

    후 기

    "이 논문은 2013년 교육부와 한국연구재단의 지역혁 신창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구 결 과임(No. 2013032233)."

    Figure

    KSMPE-15-89_F1.gif
    Schematic of solenoid
    KSMPE-15-89_F2.gif
    Schematic of coil bobbin[5]
    KSMPE-15-89_F3.gif
    Distribution of pressure at initial status
    KSMPE-15-89_F4.gif
    2D model for electro magnetic field analysis
    KSMPE-15-89_F5.gif
    Comparison of attraction force with enameled wire diameter
    KSMPE-15-89_F6.gif
    Schematic of attraction force test device
    KSMPE-15-89_F7.gif
    Test equipment and installation status for solenoid

    Table

    Specifications of spring
    Design parameters of solenoid
    Magnetomotive force with enameled wire diameter
    Material of solenoid valve components
    Attraction force with Distance between magnetic poles
    Results of internal and external leakage test

    Reference

    1. Yeo K M , Park K T , Park T J , Chung H T , Kang B R (2006) “Icing Analysis of Fuel Supply Line Components for CNG Vehicle” , Proceedings of the KSME 2006 Spring Annual Meeting, ; pp.197-202
    2. United Nations Economic Commission for Europe, Regulation No. 110 Rev. 2 (2009) CNG Equipment - Part 1: Approval of specific components of motor vehicles using compressed natural gas (CNG) in their propulsion system, Part 2: Vehicles with regard to the installation of specific components of an approved type for the use of compressed natural gas (CNG) in their propulsion system , ; pp.1-149
    3. Sung B J , Lee E W , Kim H E (2004) “Empirical Design of an On and Off Type Solenoid Actuator For Valve Operation” , KIEE International Transactions on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems, Vol.4 ; pp.39-46
    4. Fitzgerald A E , Kingsley C Jr , Umans S D (2003) Electric Machinery , McGraw-Hill, ; pp.258-265
    5. Jang J H , Kim J H , Lee S J (2015) “Parameter Study on the Design of Solenoid to Enhance the Velocity of Coilgun” , Journal of the Korean Magnetics Society, Vol.25 (3) ; pp.87-91