KR100578564B1

KR100578564B1 - 철도차량의 전력회수장치

Info

Publication number: KR100578564B1
Application number: KR1020050010036A
Authority: KR
Inventors: 채규국
Original assignee: 채규국
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-05-16
Anticipated expiration: 2025-02-03

Abstract

본 발명은 보다 간편하면서도 적절한 구성에 의해 철도차량 제동에 따른 전력회수를 효과적으로 행하도록 한 철도차량의 전력회수장치에 관한 것으로, 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에 설치되고, 상기 제동구간에서 제동되는 철도차량과의 접촉에 의해 소정의 제동력을 발생하는 제동력 발생부; 상기 제동력 발생부로부터의 제동력을 근거로 무단변속을 행하는 무단변속기; 유압펌프와 유압탱크 및 유압모터를 포함하고, 상기 무단변속기의 무단변속에 따른 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하여 축적하며, 상기 축적된 압력 에너지가 발전가능 압력에 도달하면 출력하는 유압계통부; 상기 유압계통부로부터의 압력 에너지를 근거로 전기 에너지를 발생시키는 발전기; 및 상기 유압계통부에 축적되는 압력 에너지의 발전가능 압력 도달여부를 판단하고 그 결과에 따라 상기 발전기의 동작을 제어하는 제어부를 구비한 것이다.

철도차량, 전력회수, 유압, 체인, 운동 에너지, 제동력, 전기 에너지

Description

철도차량의 전력회수장치{Energy recovery apparatus in railway vehicle}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치의 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 제동력 발생부의 구성도,

도 3은 도 2에 도시된 체인의 평면도,

도 4는 도 2에 도시된 걸림쇠의 배면도,

도 5는 도 2에 도시된 걸림쇠의 측면도,

도 6a 내지 도 6c는 도 1에 도시된 무단 변속기내의 입력측 풀리와 출력측 풀리간의 관계를 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 제동력 발생부 12 : 무단변속기

14 : 유압펌프 16 : 유압탱크

18 : 제어밸브 20 : 유압모터

22 : 발전기 24 : 유체탱크

26 : 체크밸브 28 : 제어부

30 : 진입부 지지대 32, 36 : 체인 스프라켓 휠

34 : 이탈부 지지대 38 : 체인 벨트

40 : 처짐방지 휠 42 : 열차 바닥면

44 : 걸림쇠 46 : 마찰부 안내면

48 : 기어치

본 발명은 철도차량의 전력회수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철도차량의 제동구간에서의 제동시에 발생되는 제동력(운동 에너지)을 전기 에너지로 변환하여 전력회수하도록 한 철도차량의 전력회수장치에 관한 것이다.

통상적으로, 철도에서 여객과 화물을 수송하기 위해 만들어진 차량을 철도차량이라고 한다. 그 철도차량은 스스로 원동기를 갖추고 움직이는 동력차와 동력을 지니지 않은 객화차로 나뉜다.

이와 같은 철도차량에는 브레이크 장치가 갖추어진다. 브레이크 장치는 크게 기계식 브레이크와 전기식 브레이크로 나뉜다. 기계식 브레이크에는 제동자를 바퀴에 직접 눌러대는 제동자 브레이크, 제동자를 바퀴와는 별개의 회전체에 눌러대는 디스크 브레이크, 제동자를 레일에 눌러대는 레일 브레이크 등이 있다. 전기식 브레이크에는 차량의 운동에너지를 이용하여 주전동기를 발전기로 사용하고 여기서 얻은 전기에너지를 저항기를 통해 열로 소비하는 발전 브레이크, 동일한 방법으로 얻은 전기에너지를 전차선을 통해 반환하는 전력회생 브레이크 등이 있다.

전력회생 브레이크를 채용한 철도차량에서는 그 전력회생 브레이크를 사용하여 전력을 회생(회수)하게 되는데, 현재 다양한 형태의 전력회생 브레이크가 제안되고 있으며 그 제안되는 다양한 형태중에서 나름대로 적절한 전력회생 브레이크가 채용되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 제안된 것으로, 보다 간편하면서도 적절한 구성에 의해 철도차량 제동에 따른 전력회수를 효과적으로 행하도록 한 철도차량의 전력회수장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치는, 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에 설치되고, 상기 제동구간에서 제동되는 철도차량과의 접촉에 의해 소정의 제동력을 발생하는 제동력 발생부; 상기 제동력 발생부로부터의 제동력을 근거로 무단변속을 행하는 무단변속기; 유압펌프와 유압탱크 및 유압모터를 포함하고, 상기 무단변속기의 무단변속에 따른 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하여 축적하며, 상기 축적된 압력 에너지가 발전가능 압력에 도달하면 출력하는 유압계통부; 상기 유압계통부로부터의 압력 에너지를 근거로 전기 에너지를 발생시키는 발전기; 및 상기 유압계통부에 축적되는 압력 에너지의 발전가능 압력 도달여부를 판단하고 그 결과에 따라 상기 발전기의 동작을 제어하는 제어부를 구비한다.

바람직하게, 상기 제동력 발생부는, 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에서 상기 철도차량의 진입방향으로 소정 간격을 유지하면서 상호 대향되게 설치된 진입부 지지대 및 이탈부 지지대, 상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대에 각각 설치된 휠, 상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대에 설치된 휠에 결합된 회전 부재, 및 상기 철도차량의 바닥면에 설치되고 상기 제동구간에서 상기 회전부재와 맞물리게 되는 걸림부재로 구성된다.

상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대의 높이는 조절가능하고, 상기 휠은 스프라켓으로 이루어지며, 상기 회전부재는 기어치형의 체인 벨트로 이루어진다.

그리고, 상기 걸림부재의 저면 전단에는 일정 범위의 정면 여유각 및 측면 여유각을 지닌 마찰부 안내면이 형성되고, 상기 마찰부 안내면에 후속하여 소정 개수의 기어치가 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치의 구성도로서, 철도차량의 정상적인 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에 설치되고, 상기 제동구간에서 제동되는 철도차량과의 접촉에 의해 소정의 제동력을 발생하는 제동력 발생부(10); 상기 제동력 발생부(10)로부터의 제동력을 근거로 무단변속을 행하는 무단변속기(12); 유압펌프(14)와 유압탱크(16) 및 유압모터(20) 등을 갖추고, 상기 무단변속기(12)의 무단변속에 따른 기계적 에너지를 유압시스템 작동유(즉, 유압시스템을 작동시키는 연료)의 압력 에너지로 변환하여 축적하며, 상기 축적된 압력 에너지가 발전가능 압력에 도달하면 출력하는 유압계통부; 상기 유압계통부로부터의 압력 에너지를 근거로 전기에너지를 발생시키는 발전기(22); 및 상기 유압계통부에 축적되는 압력 에너지의 발전가능 압력 도달여부를 판단하고 그 결과에 따라 상기 발전기(22)의 동작을 제어하는 제어부(28)를 구비한다.

여기서, 상기 제동력 발생부(10)는 도 2에 예시한 바와 같이, 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에서 상기 철도차량의 진입방향으로 소정 간격을 유지하면서 상호 대향되게 설치된 진입부 지지대(30) 및 이탈부 지지대(34), 상기 진입부 지지대(30) 및 이탈부 지지대(34)의 상면에 회전가능하게 각각 설치된 체인 스프라켓 휠(32, 36), 상기 진입부 지지대(30) 및 이탈부 지지대(34)에 설치된 체인 스프라켓 휠(32, 36)에 치합되어 상기 체인 스프라켓 휠(32, 36)의 회전과 함께 회전하고 소정의 피치(p)로 된 기어 치형의 체인 벨트(38; 도 3참조), 및 상기 철도차량의 바닥면(42)에 설치되고 상기 제동구간에서 상기 체인 벨트(38)와 맞물리게 되는 걸림쇠(44)로 구성된다.

상기 진입부 지지대(30) 및 이탈부 지지대(34)는 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이의 지면(G)에 고정된다.

상기 체인 스프라켓 휠(32, 36)간의 거리(L)가 너무 멀게 되면 체인 벨트(38)의 처짐이 발생할 수 있으므로 상황에 따라서는 그 체인 벨트(38)의 내측면 소정부위에 처짐방지 휠(40)이 추가적으로 설치되어도 된다. 상기 체인 스프라켓 휠(32, 36)간의 거리(L)는 정해진 제동구간의 거리보다 일정량 짧은 것이 바람직하고, 양방향 진행열차에 모두 사용가능하기 위해서는 그 체인 스프라켓 휠(32, 36)의 직경은 70cm이상으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 진입부 지지대(30) 및 이탈부 지지대(34)의 높이는 조절가능한 것으로서, 그 높이 조절을 위한 구조를 도시하지 않았지만 이는 동종업계에 종사하 는 당업자라면 누구라도 통상의 기술에 의해 손쉽게 구현가능하다. 높이 조절이 이루어진다고 하더라도 상기 진입부 지지대(30)의 높이는 상기 이탈부 지지대(34)의 높이보다 작게 하는 것이 바람직하다. 즉, 진입부 지지대(30)의 높이가 이탈부 지지대(34)보다 작아야 최초 진입시 마찰력이 적당히 증가하고 나서 걸림쇠(44)의 기어치와 순조롭게 맞물리게 된다.

한편, 상기 걸림쇠(44)의 저면 전단에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 초기 진입을 용이하게 해 주기 위해 일정 범위(예컨대, 10도 ∼ 30도의 범위)의 정면 여유각(θ1) 및 측면 여유각(θ2)을 지닌 마찰부 안내면(46)이 형성되고, 상기 마찰부 안내면(46)에 후속하여 소정 개수의 기어치(48)가 형성된다. 상기 걸림쇠(44)의 형상에 따르면, 상기 마찰부 안내면(46)이 상기 체인 벨트(38)에게로 진입하면서 마찰력이 증가되고, 그 생성된 마찰력에 의해 체인 벨트(38)가 움직이게 되며, 이에 의해 그 마찰부 안내면(46)의 후단의 기어치(48)와 그 체인 벨트(38)와의 치합에 따른 충격이 최소화된다.

상술한 본 발명의 실시예에서는 상기 제동력 발생부(10)를 체인기구식으로 구성시켰으나, 이동 도르레와 안내 레일 및 로프 등을 사용한 로프기구식으로도 구성가능하다.

도 1에서, 무단변속기(12)는 연속적인 변속비를 얻을 수 있는 변속기로서, 입력축(1)에 걸린 부하(토크)에 따라 적합한 발전량을 얻을 수 있도록 무단변속 (CVT; Continously Variable Transmission)을 행한다. 상기 무단변속기(12)로는 벨트와 가변 풀리를 이용하는 방식(belt-pully drive type), 금속 롤러와 레이스를 사용하는 방식(traction drive type), 정유압 장치를 이용하는 방식(hydrostatic drive type), 유성기어기구를 이용하는 방식(power split drive type) 등이 채용가능하다.

상기 무단변속기(12)가 벨트와 가변 풀리를 이용하는 방식을 채용한 경우, 만약 철도차량이 제동구간으로 최초로 진입하게 되면 열차측의 부하가 최소이어서 열차측 풀리와 발전기측 풀리의 형태는 도 6a에서와 같이 되고, 그 후 발전기측의 부하증가에 따른 회전수 증가로 인해 열차측 풀리와 발전기측 풀리는 도 6b에서와 같은 형태가 되며, 발전량이 최대가 되어 열차측 부하가 최대로 되는 경우에는 열차측 풀리와 발전기측 풀리는 도 6c에서와 같은 형태가 된다.

한편, 상기 유압계통부는 도 1에서 유압펌프(14), 유압탱크(16), 제어밸브(18), 유압모터(20), 유체탱크(24), 및 체크밸브(26)를 통칭한다.

상기 유압펌프(14)는 상기 무단변속기(12)의 종동축단으로부터 공급되는 기계적 에너지를 유압 시스템 작동유의 압력 에너지로 변환시키고, 상기 유압탱크(16)는 그 유압펌프(14)에 의해 고압으로 된 유체를 저장하며, 상기 제어밸브(18)는 상기 제어부(28)의 개폐제어신호에 따라 개방 또는 폐쇄되는 밸브로서 밸브개방시 상기 유압탱크(16)의 압력 에너지를 유압모터(20)에게로 보낸다.

상기 유압모터(20)는 상기 유압탱크(16)로부터 고압의 압력 에너지(발전가능 압력까지 도달한 에너지)가 제어밸브(18)를 통해 입력되면 그 입력된 고압의 압력 에너지를 상기 발전기(22)에게로 보내고, 상기 유체탱크(24)는 상기 유압모터(20)에서 사용된 유체를 회수받아 저장하며, 상기 체크밸브(26)는 상기 유압펌프(14)의 전후단에 설치되어 상기 유체탱크(24)에서 유압탱크(16) 방향으로만 연료의 흐름이 있도록 한다.

이어, 본 발명의 실시예에 따른 철도차량의 전력회수장치의 동작에 대하여 도 7의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 무단변속기(12)의 입력축(1) 토크를 T1이라 가정하고, 상기 무단변속기(12)의 종동축(즉, 유압펌프축)의 토크를 T2라고 가정하며, 상기 무단변속기(12)의 입력축(1) RPM을 N1이라 가정하고, 상기 무단변속기(12)의 종동축의 RPM을 N2라고 가정하며, 상기 무단변속기(12)내의 입력축(1) 직경을 D1이라 가정하고, 상기 무단변속기(12)내의 종동축 직경을 D2라고 가정하고서 설명한다.

열차가 제동구간에 진입하여 제동하게 되면, 그 열차의 바닥면(42)에 설치된 걸림쇠(44)의 마찰부 안내면(46)이 진입부 지지대(30)의 체인 스프라켓 휠(32)에 치합된 체인 벨트(38)의 기어치와 접촉하게 된다. 이때, 그 마찰부 안내면(46)은 그 체인 벨트(38)의 기어치에 면접촉되면서 마찰력이 증가하게 되고, 이후 그 마찰부 안내면(46)이 끝나는 위치에서부터 존재하는 기어치(48)가 후속적으로 그 체인 벨트(38)의 기어치와 치합함에 따라 그 체인 벨트(38)는 도 2의 화살표방향(좌에서 우방향)으로 움직이게 된다. 상기 체인 벨트(38)의 좌에서 우방향으로의 움직임은 그 열차가 완전히 정지할 때까지 행해진다.

이와 같은 동작에 의해 상기 제동력 발생부(10)에서는 제동거리에 따라 무단변속기(12)의 입력축(1)으로 소정의 부하(토크, 제동력)를 제공하게 된다. 즉, 상기 체인 벨트(38)가 좌에서 우방향으로 최초로 당겨지는 순간에는 무단변속기(12)의 입력축(1) 토크(T1)가 무단변속기(12)의 유압펌프축 토크(T2)보다 크기 때문에(S10에서 "Yes") 상기 무단변속기(12)내의 입력축 직경(D1)이 증가되고 상기 무단변속기(12)내의 유압펌프축 직경(D2)이 감소되어 상기 유압펌프(14)의 회전수가 증가된다(S12).

그리고, 최초의 제동위치에서 어느 정도의 제동거리(예컨대, 정해진 제동거리의 1/2 정도)까지 제동이 진행되면, 상기 무단변속기(12)의 입력축 토크(T1)가 서서히 증가하게 되어 상기 유압펌프(14)의 회전수가 서서히 증가된다. 그 유압펌프(14)의 회전수가 증가됨에 따라 유압탱크(16)측으로 고압의 유체가 보내져서 축적되고, 제어부(28)에서는 그 유압탱크(16)의 압력을 체크하여 발전가능 압력에까지 도달하였으면 제어밸브(18)를 개방시켜서 그 유압탱크(16)내의 고압의 유체를 유압모터(20)로 보낸다. 그에 따라, 그 유압모터(20)가 회전하게 되어 그 고압의 유체가 발전기(22)에게로 보내지고, 그 발전기(22)에 의해 전기에너지가 발생된다.

그 이후의 제동거리(예컨대, 정해진 제동거리의 1/2을 초과한 거리)에서부터는 상기 제동력 발생부(10)의 제동력이 서서히 저하되어 상기 무단변속기(12)의 입력축 토크(T1)가 해당 무단변속기(12)의 유압펌프축 토크(T2)보다 작아지게 되므로(S10에서 "No") , 상기 무단변속기(12)의 입력축 직경(D1)은 감소되고 해당 무단변속기(12)의 유압펌프축 직경(D2)은 증가되며 상기 유압펌프(14)의 회전수는 감소하 게 된다(S14).

상기 유압펌프(14)의 회전수가 감소하더라도 상기 유압펌프축 RPM(N2)이 제로(Zero)보다 크다면(S16에서 "Yes") 상술한 발전기(22)에 의한 전기에너지 발생동작(즉, 전력회수동작)은 계속 진행된다.

만약, 상기 유압펌프축 RPM(N2)이 제로(Zero)보다 작거나 같으면(S16에서 "No") 더 이상의 전력회수동작은 행해지지 않는다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 매우 간단한 구조에 의해 철도차량의 제동시의 전력회수를 효율적으로 행할 수 있게 되어 매우 유용하게 사용된다.

그리고, 유체를 사용함으로 인해 열차의 순간적으로 높은 운동 에너지(제동력)를 압력 에너지로 축적시킬 수 있으며 열차가 지나가고 난 후에도 축적된 압력 에너지로 발전기를 계속하여 구동시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에 설치되고, 상기 제동구간에서 제동되는 철도차량과의 접촉에 의해 소정의 제동력을 발생하는 제동력 발생부;

상기 제동력 발생부로부터의 제동력을 근거로 무단변속을 행하는 무단변속기;

유압펌프와 유압탱크 및 유압모터를 포함하고, 상기 무단변속기의 무단변속에 따른 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하여 축적하며, 상기 축적된 압력 에너지가 발전가능 압력에 도달하면 출력하는 유압계통부;

상기 유압계통부로부터의 압력 에너지를 근거로 전기 에너지를 발생시키는 발전기; 및

상기 유압계통부에 축적되는 압력 에너지의 발전가능 압력 도달여부를 판단하고 그 결과에 따라 상기 발전기의 동작을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 1항에 있어서,

상기 제동력 발생부는, 철도차량의 제동구간에 위치하는 철도레일 사이에서 상기 철도차량의 진입방향으로 소정 간격을 유지하면서 상호 대향되게 설치된 진입부 지지대 및 이탈부 지지대, 상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대에 각각 설치된 휠, 상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대에 설치된 휠에 결합된 회전부재, 및 상기 철도차량의 바닥면에 설치되고 상기 제동구간에서 상기 회전부재와 맞물리게 되는 걸림부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 2항에 있어서,

상기 진입부 지지대 및 이탈부 지지대의 높이는 조절가능한 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 2항 또는 제 3항에 있어서,

상기 진입부 지지대의 높이는 상기 이탈부 지지대의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 2항에 있어서,

상기 휠은 스프라켓으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 2항에 있어서,

상기 회전부재는 기어치형의 체인 벨트로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 2항에 있어서,

상기 걸림부재의 저면 전단에는 일정 범위의 정면 여유각 및 측면 여유각을 지닌 마찰부 안내면이 형성되고, 상기 마찰부 안내면에 후속하여 소정 개수의 기어치가 형성된 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.
제 7항에 있어서,

상기 정면 여유각 및 측면 여유각은 10도 ∼ 30도의 범위인 것을 특징으로 하는 철도차량의 전력회수장치.