KR100864818B1 - 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 센서가 지나갈 때, 이음매로 인하여 갭 신호에 발생되는 외란(노이즈)을 최소화 할 수 있도록 하기 위한 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에 관한 것으로,

마그네트, 스틸레일, 모듈프레임, 다수개의 갭 센서로 구성되는 자기부상 시스템에 있어서, 상기 모듈프레임의 타측에 1개가 구성된 갭 센서와, 상기 연결되는 2개의 스틸레일의 이음매 부분에는 홈이 형성되게하고, 상기 홈의 형상을 계단형상, 삼각형상 도는 곡선의 원형상을 이루도록 구성한 것이다.

따라서 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 센서가 지나갈 때, 이음매로 인하여 생기는 갭 신호의 외란을 크게 줄일 수 있는 동시에 자기부상 보기(bogie)의 코너당 1 개의 갭 센서만을 사용하므로 전체 시스템의 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

자기부상, 갭 센서, 마그네트, 스틸레일, 홈, 갭 외란

Description

자기부상시스템의 갭 외란 보상장치{Compensation Device for Gap Disturbance in Maglev System}

도 1은 일반적인 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 나타낸 도 2의 정면도,

도 4는 일반적인 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 사용한 경우 갭 센서에서 출력상태 파형도,

도 5는 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 0mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 6은 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 2mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 7은 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 4mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 8은 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 6mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 9는 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 8mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 10은 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에서 홈의 폭을 a = 10mm, b = 10mm 할때 갭 센서의 출력 파형도.

도 11은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치의 정면도,

도 12는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치의 정면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 모듈 프레임 2 : 마그네트

3, 3a, 3b : 갭 센서 4a, 4b, 5a, 5b : 스틸 레일

10 : 홈 a, b : 홈의 폭

d : 홈의 깊이

본 발명은 자기부상 시스템에 관한 것으로 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 센서가 지나갈 때, 이음매로 인하여 갭 신호에 발생되는 외란(노이즈)을 최 소화 할 수 있도록 하기 위한 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치에 관한 것이다.

자기부상 시스템은 레일과의 접촉이 없으므로 소음 진동이 매우 적고, 고속도를 유지할 수 있어 미래의 초고속 열차방식으로서 개발되고 있는 추세에 있다.

열차의 부상 방법은 같은 극의 자석 간에 작용하는 반발력을 이용한 반발식과 자석간의 인력을 이용, 지지레일과 자석간의 인력으로 부상시키는 흡인식으로 나눌 수 있다.

반발식은 같은 극의 영구자석 간에 작용하는 반발력을 이용한 영구자석 반발식과 차량에 부착된 자석의 운동으로 지상의 코일의 유도전류에 의한 자장의 반발력으로 부상시키는 유도 반발식을 사용하고 있는 것으로 일반적으로 흡인식보다는 반발식이 제어가 쉬운 특징이 있으나, 흡인식은 정지시와 저속에서도 부상이 가능한 특징이 있다.

상기와 같은 자기부상 시스템에는 수평방향으로 추진하는 자기부상 열차와, 수직방향으로 이동하는 자기부상 리프트가 있다.

그러나 상기한 자기부상 열차 또는 자기부상 리프트가 레일을 따라 이동할때에 레일의 이음매에 의하여 갭 센서와 레일 사이의 전체 자속의 크기가 불연속적으로 변하기 때문에 이와 같은 갭 신호에서의 외란의 보상방법을 강구하여야만 한다.

따라서 종래에도 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 공개특허 1995년 5653호, 특허 등록 제416137호, 특허 등록 제541563호 등에서 그 보상방법을 제안하고 있었다.

그러나 이와 같은 보상방법은 자기부상열차에서 레일 이음매에 대한 갭 센서 처리를 위해 보기(bogie) 코너당 2개의 갭 센서를 사용하는 방식이기 때문에 비용이 증가되는 단점이 있었다.

결과적으로 지금까지 사용되고 있는 레일 이음매에서의 외란 보상 방법은, 자기부상열차의 네 개의 코너 중 각각의 코너를 도 1과 같이 구성하고 있었다.

즉, 도 1처럼 모듈 프레임(1)에 마그네트(2)와 2개의 갭 센서(3a, 3b)를 부착한 후, 상기 갭 센서들이 스틸 레일(4a, 4b) 위를 지나갈 때, 갭 센서(3b)가 먼저 이음매를 만나고, 그 다음에 갭 센서(3a)가 상기 이음매를 만나게 된다.

이때, 이음매를 만난 갭 센서와 만나지 않은 갭 센서 사이에 출력전압의 차이가 발생하므로 열차의 부상제어를 위하여 2개의 갭 신호 중에서 하나를 선택한다. 이 방법은 2개의 갭 신호간의 옵셋 값의 차이가 없으면 좋은 성능을 보일 수 있으나, 근본적으로 보기(bogie) 한 개당 총 8개의 갭 센서가 필요하여 비용이 많이 들게 되는 단점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

본 발명의 목적은 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 센서가 지나갈 때, 이음매로 인하여 생기는 갭 신호의 외란을 크게 줄일 수 있는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 신호의 외란 보상시 코너당 1 개의 갭 센서 만을 사용하도록 하여 갭 센서 수를 줄일 수 있는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치는 하부에는 궤도를 형성하고 있는 스틸레일과, 상기 스틸레일의 상부에 형성되며, 자기부상시스템의 하부에 고정되는 모듈프레임과, 상기 모듈프레임의 일측에 형성되어 자기력으로 부상시키는 마그네트와, 상기 모듈프레임의 타측에 형성되어 스틸레일의 이음매를 감지하기 위한 갭 센서들로 구성된 자기부상 시스템에 있어서,

상기 모듈프레임의 타측에 1개로 구성된 갭 센서와, 상기 연결되는 2개의 스틸레일의 이음매 부분에는 홈이 형성한 것을 특징으로 하며,

상기한 홈의 형상을 계단형상, 삼각형상 또는 곡선의 원형상을 이루도록 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이 본 발명에서는 갭 센서를 1개만을 사용할 수가 있어 센서 비용을 줄이는 동시에 레일 끝단의 형상을 변화시켜 갭 신호의 외란 크기를 기준값 이하로 현저하게 줄일 수가 있다.

자기부상열차 또는 자기부상 리프트에서 레일이 긴 경우, 필연적으로 레일에 이음매가 있게 된다. 그리고 갭 센서와 레일 사이의 갭이 1 mm 이상인 경우, 갭 센서는 주로 와전류형을 사용하고 있으며, 이 센서는 통체로 된 스틸 레일에서는 매우 양호한 특성을 보이지만, 대향 물체가 두 개 이상의 스틸로 나누어져 이음매가 있는 경우 센서가 이음매 위를 지날 때, 센서와 레일 사이 자속의 크기가 불연속적이어서 갭 파형에 비정상적인 갭 센서의 외란이 발생한다.

산업 현장에서 자기부상열차나 자기부상 리프트에는 대부분 레일에 이음매 가 있으며, 본 발명은 이러한 레일 이음매에 여러 가지 형상의 홈을 파서 갭 센서 신호의 외란의 크기를 줄이고자 하는 것이다.

이를 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치를 나타낸 사시도이고, 도 3은 그 정면도를 도시하고 있다.

하부에는 궤도를 형성하고 있는 스틸레일 (5a,5b)이 연결되어 있고, 그 스틸레일 (5a,5b)의 상부에는 자기부상 시스템인 자기부상 열차나 자기부상 리프트로 구성되는 자기부상시스템이 위치하게 된다.

도시하지 아니한 상기 자기부상시스템의 하단에는 모듈프레임(1)이 고정되어 있고, 이 모듈프레임(1)의 일측에는 마그네트(2)가 장착되어 자기력으로 부력을 받도록 구성되어 있다.

또한 상기 모듈프레임(1)의 타측에는 상기한 스틸레일 (5a,5b)의 이음매를 감지하기 위한 갭 센서(3)가 설치되어 있다.

본 발명의 특징은 상기한 모듈프레임(1)에 설치되는 갭 센서(3)가 하나만 설치하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

또한 연결되는 2개의 스틸레일 (5a,5b)의 이음매 부분에는 계단형을 비롯한 다양한 형상의 홈(10)을 형성한 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이 스틸레일 사이의 이음매 부분에 홈(10)을 형성하면, 이음매 부분에서 갭 센서와 레일 사이의 평균 갭 센서의 값이 변하게 되고, 이 감지된 갭 센서의 값이 허용되는 오차의 범위내에 위치하도록 하고 있다.

특히, 도 2 및 도 3에 도시하고 있는 이음매 부분의 홈(10)에서 홈의 폭(a),(b)과 깊이(d)를 변화시키면 갭 센서 출력전압의 평균값이 이에 따라서 변하고 있는 것을 알 수 있다.

도 4 내지 도 10은 갭 센서가 스틸레일의 이음매를 통과하는 경우에 나타나는 출력값이다.

여기서 레일 이음매를 지날 때의 결과를 확인하기 위하여 다음과 같은 조건에서 실험을 실시하였다.

도 3의 자기부상시스템에서 정상적일 때 갭 센서와 레일 사이의 갭(g)는 13mm이고, 깊이(d)는 3mm, 갭 센서 직경은 23.6mm, 스틸레일의 재료는 S20C를 사용하였고, 갭 13mm에서의 센서 출력 전압은 8.6V이다.

먼저 도 3에서 스틸레일에 이음매 만 형성되어 있는, 즉 a = 0mm, b = 0mm인 경우, 갭 센서의 출력 값을 도 4에 의하여 살펴본다.

여기서 파형은 3개의 굴곡이 있는데, C1은 왼쪽 레일(5a)에서 오른쪽 레일(5b) 쪽으로 천천히 이동할 때 생기는 갭 파형이고, C2는 오른쪽 레일(5b)에서 왼쪽 레일(5a)로, C3는 다시 오른쪽 레일(5b)로 빠르게 이동할 때의 갭 센서의 파형이다. C1 ~ C3에서 알 수 있듯이, 정방향 또는 역방향의 이동방향이나 이동속도에 상관없이 갭 외란의 최대 크기는 같다는 것을 알 수 있다.

도 4 의 경우 이음매 부분에 홈(10)이 형성되어 있지 아니하므로 홈의 폭은 (a),(b)가 모두 0mm일 때의 갭 센서의 파형이 되며, C1 ~ C3에서 갭 센서는 정상적인 갭 센서 출력 8.6V(=13mm)보다 모두 1.2V(=1.8mm)가 감소된 것을 그 파형도에 의하여 확인할 수가 있다.

이때 갭 센서의 외란은 1.2V 즉, 1.8mm가 된다. 이것은 정상적인 갭 13mm의 14%의 크기에 해당되며, 이 값은 자기부상시스템에서 레일 외란의 목표 사양 즉, 정상적인 갭 값의 5% 이내보다 더 커서 문제가 된다.

이와같이 갭 센서의 오차가 5% 내이면 별도의 외란을 위한 보상이 필요 없는 것으로 본 발명은 갭 센서의 오차가 5% 범위내 포함되게 하고 있다.

이와 같은 오차 범위 내에 위치하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 홈(10)의 폭(a)이 10mm를 기준으로 하여 폭(b)가 각각 0, 2, 4, 6, 10mm가 되도록 하여 갭 센서의 파형을 측정하였으며, 각각 도 5 내지 도 10에 그 파형을 나타내었다.

이와 같이 측정해 본 결과, 홈(10)의 폭(b)이 클수록 갭 센서(3)의 외란이 크기가 감소한다는 것을 알 수 있으며, 도 10의 경우 갭 센서의 외란의 크기가 0.4V(=0.6mm)가 되므로 정상적인 갭 센서의 4.6% 정도가 되므로 목표 사양인 5% 보다 작기 때문에 레일 이음매에서의 갭 센서에서 발생되는 외란 문제를 해결할 수가 있다.

또한 상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)은 중간을 기준으로 좌우측홈 폭(a),(b)가 클수록 그 외란이 가장 작다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 홈의 깊이(d)도 클수록 역시 외란은 작게 된다.

도 11 및 도 12 는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치로서 도 2 내지 도 3과 같이, 모듈프레임(1), 마그네트(2) 및 갭 센서(3)는 동일한 구성을 가지고 있다.

여기에서는 서로 연결되는 스틸레일(5a,5b)의 이음매 부분에 형성되는 홈(10)이 삼각형상의 구조를 가지고 있도록 구성하였으며, 도 12에서는 상기 스틸레일(5a,5b)의 이음매 부분에 형성된 홈(10)이 곡선 모양의 형상으로 이루어지도록 구성 한 것이다.

이와 같이 홈(10)의 형상을 계단식, 삼각형상 또는 곡선으로 이루어지는 원형상인 경우에도 도 10과 같은 동일 특성의 갭 센서의 파형을 얻을 수가 있었으며, 상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 여러 가지 형상의 홈(10)에서도 중간을 기준으로 좌측 홈 폭(a)과 우측 홈 폭(b) 및 그 깊이(d)가 클수록 그 특성이 우수함이 확인되었다.

여기서 이음매 홈은 중간을 기준으로 우측 홈 폭(a)과 좌측 홈 폭(b)의 크기의 합은 갭 센서의 직경의 크기보다는 작게 유지되어야 갭 센서 값의 급격한 변화를 방지할 수가 있다. 따라서 실험에서 갭 센서 직경은 23.6mm이고, 좌측홈 폭(a)과 우측 홈 폭(b)의 합은 최대 20mm가 되어 만족한다고 볼 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 자기부상시스템의 레일 이음매에서 갭 센서 신호의 외란의 크기를 현저하게 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 갭 센서를 코너당 1개만 사용하기 때문에 2개를 사용하는 기존의 방법에 비해 비용을 줄일 수 있다.

즉, 자기부상 보기는 4개의 코너에 의해 지지되기 때문에 3량 1편성 자기부상열차에는 모두 12개의 코너가 있으므로 코너당 갭 센서의 수를 1개씩 줄이면 1편성당 12개의 갭 센서를 줄일 수 있기 때문에 전체 시스템의 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한 모듈프레임의 타측에 1개로 구성된 갭 센서와, 서로 연결되는 2개의 스틸레일의 이음매 부분에는 홈을 형성하여 이음매 부분에서 발생되는 갭 센서의 외란을 오차 범위 내로 크게 줄일 수가 있어 갭 외란 처리를 위한 별도의 제어장치를 사용하지 않아도 되는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 하부에 궤도를 형성하고 있는 스틸레일 (5a,5b)과,

   상기 스틸레일 (5a,5b)의 상부에 형성되며, 자기부상시스템의 하부에 고정되는 모듈프레임(1)과,

   상기 모듈프레임(1)의 중앙 하부에 형성되어 자기력으로 부상시키는 마그네트(2)와,

   상기 모듈프레임(1)의 하부에 형성되고, 상기 마그네트(2)에 일정거리를 두고 형성되어 스틸레일의 이음매를 감지하기 위한 갭 센서(3a,3b)로 구성된 자기부상 시스템에 있어서,

   상기 모듈프레임(1)에 일정거리를 두고 형성되며, 1개로 구성되는 갭 센서(3)와,

   상기 연결되는 2개의 스틸레일 (5a,5b)의 이음매 부분에 홈(10)이 형성되도록 구성시킨 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)이 계단 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)은 중간을 기준으로 좌측홈 폭(a)과 우측홈 폭(b)의 합이 갭 센서 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)은 삼각형상의 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)은 단면이 반원형인 곡선형상으로 이루어지도록 구성시킨 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.
6. 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 스틸레일의 이음매 부분에 형성된 홈(10)은 중간을 기준으로 좌측홈 폭(a)과 우측홈 폭(b)의 합이 갭 센서 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 자기부상시스템의 갭 외란 보상장치.

Images