KR100245265B1 - 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석 - Google Patents

Abstract

부피와 중량을 감소시킨 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석이 개시된다. 상기 전자석은 일반강재(SS41)로 제작된 코아가 마련된다. 상기 코아는 대향하는 한쌍으로 마련되어 자극(磁極)이 되는 폴과 상기 한쌍의 폴 사이에 마련되어 자로(磁路)를 형성하는 요크를 가진다. 그리고 상기 요크에 권선되며 전류가 통전되면 상기 코아와의 작용에 의하여 자속을 일으키는 코일이 알루미늄재의 박판으로 마련된다. 그러므로 상기 전자석은 고가인 전기연철 대신 저가인 일반강재를 사용하여 코아를 제작하므로서 원가가 절감된다. 또,알루미늄재의 각선 대신 알루미늄재의 박판으로 코일을 제작하고 그 박판에 절연을 위한 아노다이징 처리를 하므로서 그 부피 및 중량이 감소된다. 또한, 코일의 부피가 감소되므로 인하여 폴의 부피도 감소되므로 폴의 중량, 즉 전자석 자체의 중량이 더욱 감소된다.

Description

상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석

본 발명은 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석에 관한 것으로, 더 상세하게는 부피와 중량을 감소시켜 부상력대 자중비를 향상시킨 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석에 관한 것이다.

일반적으로 열차는 차바퀴와 레일간의 점착력으로 주행을 하므로 고소음,고진동,철 분진 등의 공해가 사회적 문제로 제기되고 있다. 이로인해 전자력이나 공기력으로 차체를 부상시켜 차바퀴와 레일이 접촉되지 않게 하여 주행을 하는 저공해의 부상식 열차가 개발되었다.

자기부상식 열차는 전자력에 의하여 차체가 부상되고 선형모터에 의하여 주행이 이루어지는 열차이다. 자기부상식 열차를 부상시키는 전자력은 전자석에서 발생되는데,종래의 전자석을 도 1 내지 3를 참조하여 설명한다.

도 1은 종래 전자석의 분해 사시도이고, 도 2a는 종래 전자석의 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 ＆quot;P＆quot;부 확대도이고, 도 3은 종래 전자석의 사양을 보인 표이다.

이에 도시하듯이, 요크(York)(111)와 폴(Pole)(112)을 가지는 코아(Core) (110)의 요크(111)에 코일(120)이 감겨서 전자석(100)을 이룬다. 이때,코아(110)는 전기연철로 제작된다. 단위코일(121)은 가로=3㎜, 세로=7㎜(도 2b참조)인 알루미늄재의 각선으로 절연지가 감겨 있다. 이 단위코일(121)이 요크(111)에 약 330회 권선되고 이 권선된 코일(120)은 가로=80㎜, 세로=118㎜이다. 그리고 코일(120)에 21 암페어(A)의 전류를 흘렸을 때,전자석에서 발생되는 부상력은 약 11,900 뉴턴(N)이고 전자석의 자중은 175㎏이다. 따라서 부상력/자중비 ≒ 6.94이다

자기부상식 열차의 1량의 중량은 승객을 포함하여 약 27톤(ton)이고, 열차 1량에는 24개의 전자석이 설치된다. 그러므로 전자석 1개가 부담해야 할 부상력은 27000 × 9.8 / 24 = 11025 뉴턴(N)으로서 안전을 고려하여 12000뉴턴(N)으로 설계하는 것이 바람직하다. 그러므로 전자석은 부상력/자중 의 값이 클수록 그 성능이 우수하다 할 수 있다.

그러나 상기와 같은 사양으로 이루어진 종래의 전자석은 코아의 재질이 전기연철이므로 인하여 가격이 고가인 단점이 있었다. 또한, 알루미늄재의 각선에 절연지를 감아서 권선하므로 코일의 부피가 커지고,이로인해 폴의 부피도 커져야만 한다. 그러므로 코일 및 폴의 중량이 무거워지므로 전자석의 중량이 무거운 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 단점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 코아를 일반강재으로 제작하므로서 그 원가를 절감할 수 있는 자기부상식 열차용 전자석을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 코일을 알루미늄 박판으로 제작하므로서 그 부피 및 중량을 감소시킬 수 있는 자기부상식 열차용 전자석을 제공함에 있다.

도 1은 종래 전자석의 분해 사시도,

도 2a는 종래 전자석의 단면도,

도 2b는 도 2a의 ＆quot;P＆quot;부 확대도,

도 3은 종래 전자석의 사양을 보인 표,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석이 사용되는 상태를 보인 단면도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석의 분해 사시도,

도 6a는 본 발명에 따른 전자석의 단면도,

도 6b는 도 6a의 ＆quot;Q＆quot;부 확대도,

도 7은 본 발명에 따른 전자석의 사양을 보인 표,

도 8 내지 13은 본 발명에 따른 바람직한 전자석을 제작하기 위하여 여러 가지 실험을 하여 비교한 도표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

200:전자석, 210:코아,

211:폴, 212:요크,

230:코일.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자기부상식 열차용 전자석에 있어서, 대향하는 한쌍으로 마련되어 자극(磁極)이 되는 폴과 상기 한쌍의 폴 사이에 마련되어 자로(磁路)를 형성하는 요크를 가지며 일반강재(SS41)로 제작된 코아, 상기 요크에 권선되며 전류가 통전되면 상기 코아와의 작용에 의하여 자속을 일으키는 알루미늄재의 박판으로 마련된 코일을 구비하는 구성이다.

상기 전자석의 폴의 길이 방향 양 단부의 면은 유선형으로 마련된다. 그리고 상기 알루미늄재의 단위 박판 코일에는 절연을 위하여 아노다이징 처리가 되고 단위 코일의 두께는 대략 0.25㎜ 이다.

상기 전자석은 고가인 전기연철 대신 저가인 일반강재를 사용하여 코아를 제작하므로서 원가가 절감된다. 또,알루미늄재의 각선 대신 알루미늄재의 박판으로 코일을 제작하고 그 박판에 절연을 위한 아노다이징 처리를 하므로서 그 부피 및 중량이 감소된다. 또한,코일의 부피가 감소되므로 인하여 폴의 부피도 감소되므로 폴의 중량, 즉 전자석 자체의 중량이 더욱 감소된다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자기부상식 열차용 전자석의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석이 사용되는 상태를 보인 단면도로서, 레일(30)을 외측에서 감싸고 있는 프레임(21)에 열차(20)의 하부 양측이 결합된다. 프레임(21)의 내부에는 열차(20)을 부상(浮上)시키기 위한 전자석(200)이 마련된다.

본 발명에 따른 전자석을 도 5 내지 7을 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자석의 분해 사시도, 도 6a는 본 발명에 따른 전자석의 단면도, 도 6b는 도 6a의 ＆quot;Q＆quot;부 확대도, 그리고 도 7은 본 발명에 따른 전자석의 사양을 보인 표이다.

이에 도시하듯이, 그 재질이 일반강재(SS41)인 코아(210)가 마련된다. 상기 코아(210)는 자극(磁極)의 기능을 하는 대향하는 한쌍의 폴(Pole)(211)과 상기 폴(211) 사이에 마련되어 자로(磁路)를 형성하는 요크(Yoke)(212)를 가진다. 상기 폴(210)의 길이방향 양단부의 면(211a)은 유선형으로 형성된다.

상기 요크에는 코일(230)이 감기는데,상기 코일(230)은 알루미늄재의 박판으로 마련된다. 박판으로 된 상기 단위코일(231)의 두께는 약 0.25㎜ 이고, 상기 단위코일(231)은 330회 권선된다. 상기 코일(230)의 표면에는 절연을 위하여 아노다이징(Anodizing)을 하였다. 이로인해 권선된 코일(230)은 가로=80㎜, 높이=84㎜ 으로 종래의 전자석의 코일 보다 그 높이가 약 34㎜ 감소되었다.

전자석에서 폴의 길이 및 높이는 코일의 길이 및 높이에 영향을 받는다. 본 발명에 따른 전자석의 코일의 높이는 종래 전자석의 코일의 높이 보다 약 34㎜ 낮으므로 폴의 높이도 자동으로 낮게된다. 즉,폴의 체적이 감소되므로 폴의 중량이 감소되게 되어 전자석 자체의 자중도 135㎏으로 종래의 전자석 보다 약 40㎏을 감소된다.

이와같은 사양으로 이루어진 본 발명에 따른 전자석의 부상력은 코일에 약 24 암페어(A)의 전류를 흘렸을 때 12,000뉴턴(N)으로 부상력 대 자중의 비는 9.07로 종래의 전자석 보다 더 우수하다.

이하에서는,위에서 설명한 사양을 얻기 위하여 여러 가지 실험을 하여 비교한 내용을 설명한다.

도 8은 종래의 전자석과 종래의 전자석에서 코아의 재질을 일반강재(SS41)로 변경한 전자석의 부상력을 비교한 표이다. 표에서 알수 있듯이, 정격 전류가 21 암페어(A) 일 때, 코아가 전기연철인 전자석은 부상력이 10,907 뉴턴(N)이고 코아가 일반강재인 전자석은 부상력이 9,613 뉴턴(N)이다. 그러므로 코아의 재질에 의하여 부상력이 영향을 받는다고 할 수 있으나, 정격 전류를 24 암페어(A)로 설계하면 코아가 일반강재인 전자석의 부상력이 11,000 뉴턴(N) 이상이 된다. 그러므로 코아의 재질을 고가(高價)인 전기연철에서 저가(低價)인 일반강재로 변경하여도 아무런 문제가 없다.

도 9는 종래의 전자석과 종래의 전자석에서 코아를 일반강재로 하고 코일을 알루미늄 박판으로 변경한 전자석의 부상력을 비교한 표이다. 표에서 알수 있듯이, 정격 전류가 21 암페어(A) 이하인 경우에는 양 전자석의 부상력이 비슷하나, 정격 전류가 21 암페어(A) 이상인 경우에는 코일이 알루미늄 박판인 전자석의 부상력이 코일이 알루미늄 각선인 전자석의 부상력 보다 약간 낮다. 따라서 코일의 형상 변화에 따른 부상력의 차이는 거의 없다고 볼 수 있다. 즉,권선수가 같을 경우에는 비슷한 부상력을 갖는 것이다. 그러므로 코일을 알루미늄 각선에서 박판으로 변경하여도 아무런 문제가 없다.

도 10은 코아는 일반강재이고 코일은 알루미늄 박판이며 폴의 높이는 종래의 전자석보다 34㎜ 작은 159㎜인 전자석의 부상력을 도시한 표이다. 표에서 알 수 있듯이, 정격 전류 21 암페어(A) 에서의 부상력은 10,339 뉴턴(N)이다. 그러나 전자석의 전체 중량은 137㎏이었다. 그러므로 본 발명에 따른 전자석은 종래의 전자석 보다 그 중량이 38㎏이 감소되므로 부상력/자중 의 비는 향상된다.

도 11은 코아는 일반강재이고 코일은 알루미늄 박판이며 폴의 길이는 종래의 전자석보다 30㎜ 작은 650㎜인 전자석의 부상력을 도시한 표이다. 표에서 알 수 있듯이, 정격 전류를 24 암페어(A)로 하면 부상력은 12,000 뉴턴(N) 이상이 되므로 전자석의 중량을 더욱 감소시킬 수 있다.

도 12는 코아는 일반강재이고 코일은 알루미늄 박판이며 폴의 양 단부를 유선형의 단면(211)이 하였을 때의 전자석의 부상력을 도시한 표이다. 다양한 실험결과 이와같은 폴의 형상이 가장 바람직한 형상으로 나타났다.

도 13은 코아는 일반강재이고 코일은 알루미늄 박판으로서 아노다이징 처리를 하였으며 폴의 길이는 종래의 전자석보다 30㎜ 작은 650㎜인 전자석의 부상력을 도시한 표이다. 표에서 알 수 있듯이, 실제 운전 범위인 21 - 24 암페어(A) 내에서는 부상력이 비슷하므로 절연지가 감긴 알루미늄 박판 대신 아노다이징 처리가 된 알루미늄 박판은 사용할 수 가 있다. 그러므로 권선된 코일의 부피 및 중량을 더욱 감소시킬 수 있다.

이상에서 설명하듯이, 본 발명에 따른 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전석은 고가인 전기연철 대신 저가인 일반강재를 사용하여 코아를 제작하므로서 원가가 절감되는 특징이 있다.

또한,알루미늄재의 각선 대신 알루미늄재의 박판으로 코일을 제작하고 그 박판에 절연을 위한 아노다이징 처리를 하므로서 그 부피 및 중량이 감소되는 특징이 있다.

또한, 코일의 부피가 감소되므로 인하여 폴의 부피도 감소되므로 폴의 중량, 즉 전자석 자체의 중량이 더욱 감소되는 특징이 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 당업자의 통상의 지식 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.

Claims (4)

1. 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석에 있어서,

   대향하는 한쌍으로 마련되어 자극(磁極)이 되는 폴과 상기 한쌍의 폴 사이에 마련되어 자로(磁路)를 형성하는 요크를 가지며 일반강재(SS41)로 제작된 코아,

   상기 요크에 권선되며 전류가 통전되면 상기 코아와의 작용에 의하여 자속을 일으키는 알루미늄재의 박판으로 마련된 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 폴의 길이 방향 양 단부의 면은 유선형인 것을 특징으로 하는 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 알루미늄재의 박판으로 된 단위 코일에는 아노다이징 처리가 된 것을 특징으로 하는 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 알루미늄재의 박판으로 된 단위 코일의 두께는 대략 0.25㎜ 인 것을 특징으로 하는 상전도 흡인식 자기부상 차량용 전자석.

Images