KR100945713B1 - 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템 - Google Patents

철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도차량의 대차 저면에 선형유도전동기의 1차측 전기자를 취부할 때, 1차측 전기자의 상하 변위를 조절하는 변위조절기가 받는 1차측 전기자의 하중을 감소시킬 수 있는 림·대차 고정부를 구비함과 아울러, 1차측 전기자의 전방 위치에 설치된 공극센서를 통해 실시간으로 감지되는 1차측 전기자와 2차측 회전자 사이의 공극의 크기정보를 이용하여 변위조절기를 제어함에 따라 노면의 변화에 대응하여 공극의 크기를 일정하게 유지하거나 최소화함으로써 추진력의 효율을 극대화할 수 있도록 된 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템에 관한 것이다.
선형유도전동기, 공극, 전기자, 회전자, 공극센서, 변위조절기, 림·대차 고정부, 스프링.

Description

철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템{Air gap control system of linear induction motor for train}
본 발명은 철도차량의 리니어 추진 시스템으로 이용되는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철도차량의 대차 저면에 선형유도전동기의 1차측 전기자를 취부할 때, 1차측 전기자의 상하 변위를 조절하는 변위조절기가 받는 1차측 전기자의 하중을 감소시킬 수 있는 림·대차 고정부를 구비함과 아울러, 1차측 전기자의 전방 위치에 설치된 공극센서를 통해 실시간으로 감지되는 1차측 전기자와 2차측 회전자 사이의 공극의 크기정보를 이용하여 변위조절기를 제어함에 따라 노면의 변화에 대응하여 공극의 크기를 일정하게 유지하거나 최소화함으로써 추진력의 효율을 극대화할 수 있도록 된 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템에 관한 것이다.
철도와 같은 교통시스템 등에서 운송을 위하여 일정 경로를 이동하는 차량 등의 이동체를 구비한 운송시스템이 널리 이용되고 있다.
일반적으로 상기 이동체의 이동에 필요한 추진력을 발생시키기 위해 회전형 모터를 이용하고 있으며, 이 때 발생하는 회전력을 기계적인 변속기를 통해서 이동 체의 바퀴에 전달하는 방법이 사용되어 왔으나, 그 구조가 복잡하고 소음이 심하며 고장이 잦고 추진효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 비점착 직접구동이 가능한 선형유도전동기가 널리 이용되고 있는 추세이다.
도 1은 종래 선형유도전동기를 이용한 철도차량용 리니어 추진시스템의 전면도이다.
선형유도전동기(LIM; Linear Induction Motor)는 철심과 권선으로 이루어져 이동자기장을 발생시키는 1차측 전기자(40, 고정자)가 이동하는 철도차량(10)의 대차(20)의 저면에 림(LIM)·대차 고정부(30)를 매개로 고정되어 설치되고, 알루미늄 플레이트로 이루어진 회전자(60)는 차륜(50)과 접촉되는 평행한 레일(80) 사이에 설치되며 지면(90)에 고정 설치된 백-아이언(70, back-iron)에 의해 지지되어 고정된다.
상기 선형유도전동기의 구동 원리는 전기자(40)의 권선에 교류전류가 인가되면 N극과 S극이 교번하여 이동자기장을 발생시키고, 상기 이동자기장이 회전자(60)에 위치한 2차측 도체에 유도전압을 유기시켜서 1차측과 2차측의 상호 작용에 의하여 추진력을 얻는 방식이다.
종래 기술의 경우, 철도차량용 리니어 추진시스템에 이용되는 선형유도전동기는 이동시에 충격 및 진동을 고려하여 전기자(40)와 회전자(60) 사이의 공극의 크기를 일반적으로 9 ~ 15 mm 정도로 유지하고 있다.
하지만, 선형유도전동기의 회전자(60)에 위치하는 2차측 알루미늄 플레이트 의 시공시에 건설공차가 발생하여 상기 2차측 알루미늄 플레이트에 표면굴곡이 존재하게 되므로, 이에 따라 전기자(40)와 회전자(60) 사이의 실제 공극의 크기는 일정한 값이 아니라 시공의 정밀도에 의존하여 변화하게 된다.
선형유도전동기는 회전형유도전동기와는 달리 공극이 크기 때문에 공극의 작은 변화에도 누설자속의 변화가 커지게 되어 추진력의 효율이 크게 바뀌게 된다.
이에 따라서 선형유도전동기의 추진력 발생 효율이 2차측 회전자(60)를 구성하는 알루미늄 플레이트의 시공 정밀도에 의존하여 변동하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 선형유도전동기는 전기자(40)와 회전자(60) 사이의 공극의 크기를 일정하게 제어하는 시스템이 별도로 구비되어 있지 않아 철도차량의 운행중에 2차측 알루미늄 플레이트의 시공 정밀도와는 독립적으로 추진력 발생 효율을 유지하거나 증가시키기 위해 능동적으로 대처할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 철도차량의 리니어 추진 시스템으로 이용되는 철도차량용 선형유도전동기의 1차측 전기자와 2차측 회전자 사이의 공극의 크기를 일정하게 유지시키거나 최소화되도록 제어함으로써 추진력의 효율을 극대화할 수 있는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 1차측 전기자의 상하 변위를 조절하여 상기 공극의 크기를 조절하는 변위조절기가 받는 전기자의 하중이 분산되도록 하는 지지구조를 구비하여 변위조절기의 용량을 감소시킬 수 있는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템은, 철도차량의 차륜이 접촉되는 평행한 레일 사이의 지면상에 상기 철도차량의 대차 이동방향을 따라 평행하게 설치되는 회전자; 상기 회전자와 대향하여 소정의 공극이 형성되도록 상기 대차 저면에 설치되어 이동자기장을 발생시키는 전기자; 상기 공극의 크기가 기 설정된 값으로 유지되도록 상기 전기자의 상하 위치를 제어하는 공극제어부;및 상기 대차의 저면에 상기 전기자를 고정시키는 림·대차 고정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공극제어부는, 상기 공극의 크기정보를 감지하여 출력하는 공극센서; 상기 공극센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기 설정된 크기정보와 비교하여 상기 공극이 기 설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기;및 상기 제어기로부터 출력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 전기자의 위치를 상하로 조절하는 변위조절기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 변위조절기는, 상기 대차의 저면에 고정되는 변위조절기 외함과, 상기 변위조절기 외함의 내부에 구비되고 교류전류가 인가되는 전기자코일과, 상기 전기자코일에서 발생하는 이동자기장에 의해 상기 전기자코일의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자의 상면에 고정된 고정부재에 연결되는 마그넷이동자를 구비하는 원통형 영구자석형 모터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 림·대차 고정부는, 상기 대차의 저면에 고정되는 가이드 외함과, 상기 가이드 외함의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자의 상면에 고정된 고정부재에 연결되는 피스톤 로드와, 상기 피스톤 로드의 둘레에 구비되며 상단은 상기 피스톤 로드 상단부에 외측으로 돌출형성된 머리부의 밑단에 고정되고 하단은 상기 가이드 외함의 내측 바닥면에 고정되는 탄성부재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 코일형 스프링 또는 판형 스프링인 것을 특징으로 한다.
상기 공극센서는 초음파센서, 광센서, 와전류센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 변위조절기의 위치에 대한 상기 공극센서의 위치는 상기 변위조절기의 반응시간 동안 상기 철도차량이 최대로 이동할 수 있는 거리만큼 상기 철도차량의 진행방향에 대하여 전방으로 이격된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템에 의하면, 철도차량의 대차 저면에 선형유도전동기의 1차측 전기자를 취부할 때 원통형 영구자석형 모터를 포함하는 변위조절기를 구비하고, 공극센서를 통해 1차측 전기자와 2차측 회전자 사이의 공극을 실시간으로 감지하여 노면의 변화에 대응하여 변위조절기의 구동을 제어함으로써 1차측 전기자의 상하 위치를 변경하여 공극의 크기를 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 림·대차 고정부의 가이드 외함과 피스톤 로드 사이에 코일형 또는 판형 스프링을 구비하여, 변위조절기에 의해서 1차측 전기자의 위치를 상하로 변경하고자 할 때, 스프링의 반발력을 이용하여 상기 변위조절기가 받는 전기자의 하중을 감소시키는 것이 가능해져 결국 원통형 영구자석형 모터의 용량을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 공극의 크기를 일정하게 유지할 수 있게 되어 철도차량의 운행을 안정화시킬 수 있으며, 철도차량이 오르막 구간을 운행시에는 변위조절기에 의해 공극을 작게 조절하여 추진력 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 변위조절기와 림·대차 고정부를 구비한 철도차량용 리니어 추진시스템의 전면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 변위조절기와 림·대차 고정부를 구비한 대차 모델의 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 선형유도전동기의 공극제어 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템은, 레일(80) 사이의 지면(90)상에 설치되는 회전자(60)와, 대차(20)의 저면에 설치되어 이동자기장을 발생시키는 전기자(40)와, 상기 회전자(60)와 상기 전기자(40) 간의 공극의 크기가 기 설정된 값으로 유지되도록 상기 전기자(40)의 상하 위치를 제어하는 공극제어부(500) 및 상기 대차(20)의 저면에 상기 전기자(40)를 고정시키는 림·대차 고정부(200,300)를 포함한다.
또한, 상기 공극제어부(500)는 상기 공극의 크기정보를 감지하여 출력하는 공극센서(400)와, 상기 공극센서(400)로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기 설정된 크기정보와 비교하여 상기 공극이 기 설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기(450) 및 상기 제어기(450)로부터 출력되는 제어신호에 근거하여 상기 전기자(40)의 위치를 상하로 조절하는 변위조절기(100)로 이루어진다.
상기 회전자(60)는 철도차량(10)의 대차(20)의 이동방향을 따라 평행하게 설치되는 영구자석으로서 알루미늄 플레이트로 이루어지고, 상기 전기자(40)는 상기 회전자(60)와 대향하여 소정의 공극이 형성되도록 대차(20)의 저면에 설치되는 전자석으로서 여러 겹의 철심에 코일이 감겨진 권선으로 구성되고, 소정의 주파수를 갖는 교류전류가 인가되면서 발생하는 이동자기장이 회전자(60)에 유도됨에 따라서 전기자(40)와의 사이에 추진력이 발생하게 된다.
본 발명에서는 회전자(60)와 전기자(40) 사이의 공극 조절을 위한 변위조절기(100)와, 대차(20)에 전기자(40)를 연결시킴과 아울러 상기 전기자(40)의 하중을 감소시키기 위한 림·대차 고정부(200,300)가 구비되며, 도 3에서는 전기자(40)의 전방측 중앙부에 하나의 변위조절기(100)와 그 양측에 림·대차 고정부(200,300)가 구비된 모습이 도시되어 있으나, 상기 변위조절기(100)와 상기 림·대차 고정부(200,300)는 상기 전기자(40)의 후방측에도 각각 구비된다.
한편, 전기자(40)의 전방측에는 공극센서(400)가 구비되며, 상기 공극센서(400)는 초음파센서, 광센서, 와전류센서 등이 사용될 수 있다.
상기 공극센서(400)는 전기자(40)와 회전자(60) 사이의 공극의 크기를 실시간으로 감지하고, 감지된 공극의 크기정보를 제어기(450)로 보내게 된다.
상기 제어기(450)는 상기 공극센서(400)로부터 공극의 크기 정보를 입력받아 기 설정된 크기정보와 비교하여 상기 공극이 기 설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하여 변위조절기(100)의 작동을 제어함으로써 전기자(40)의 상하 위치가 조절되도록 한다.
상기 공극센서(400)는 변위조절기(100)의 반응시간 및 철도차량(10)의 최대 이동속도를 고려하여 상기 철도차량(10)의 진행방향에 대하여 상기 변위조절기(100)의 위치보다 전방으로 이격되도록 설치된다.
즉, 변위조절기(100)의 최장 반응시간 동안 철도차량(10)이 이동할 수 있는 최대 이동 거리 이상으로 상기 변위조절기(100)와 상기 공극센서(400)의 위치를 철 도차량(10)의 진행방향으로 이격된 위치에 배치시킨다.
이 경우, 제어기(450)는 철도차량(10)의 이동속도를 고려하여 변위조절기(100)의 동작을 제어하는 제어신호를 가변적으로 지연시키되, 지연시간을 철도차량(10)의 이동속도에 반비례하도록 하여 출력함으로써 공극의 변화에 미리 대응할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템을 구성하는 변위조절기(100)와 림·대차 고정부(200,300)를 순차로 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 변위조절기의 확대 단면도이다.
본 발명의 변위조절기(100)는, 대차(20)의 저면에 고정되는 변위조절기 외함(110)과, 상기 변위조절기 외함(110)의 내부에 구비되고 교류전류를 인가받는 전기자코일(122)과, 상기 전기자코일(122)에서 발생하는 이동자기장에 의해 상기 전기자코일(122)의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자(40)의 상면에 고정된 고정부재(127)에 연결되는 철심(126)과 마그넷(124)으로 이루어진 마그넷이동자(128)를 구비하는 원통형 영구자석형 모터(120)로 이루어진다.
제어기(450)에서는 공극센서(400)에서 감지된 공극의 크기정보를 근거로 하여 상기 변위조절기(100)의 전기자코일(122)에 공급되는 전력량을 제어함으로써 이에 대응하여 발생하는 자기력의 크기에 따라 상기 마그넷이동자(128)의 상하 이동길이를 제어하게 된다.
이 때, 상기 마그넷이동자(128)의 하단부는 상기 전기자(40)의 상면에 고정 된 고정부재(127)에 연결되어 있으므로, 상기 마그넷이동자(128)의 상하 이동에 따라 전기자(40) 또한 상하로 이동되어 하측의 회전자(60)와의 사이에 공극의 크기가 조절되는 것이다.
한편, 상기 변위조절기(100)가 작동하지 않는 상태에서는 전기자(40)의 하중에 의해 상기 마그넷이동자(128)는 하측으로 내려지게 되며 상기 마그넷이동자(128) 상단부의 변위가변 스토퍼(130)의 걸림에 의해 하방향으로의 이동이 차단되어 기 설정된 공극의 크기를 유지하게 된다.
상기 공극의 조절을 위해서는 약 700 kg의 하중을 갖는 전기자(40)를 상방향으로 들어올려야 하며, 이를 위해서는 상기 전기자(40)의 하중을 감당할 수 있는 정도의 용량을 갖는 원통형 영구자석형 모터(120)가 필요하다.
상기 원통형 영구자석형 모터(120)의 용량이 커질수록 결국 철도차량(10)의 하중도 증가하므로 철도차량(10)의 추진효율은 떨어지게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 전기자(40)의 하중을 분산시키기 위한 구조를 이하의 림·대차 고정부(200,300)에 구비하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 림·대차 고정부의 확대 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 림·대차 고정부(200)는 대차(20)의 저면에 고정되는 가이드 외함(210)과, 상기 가이드 외함(210)의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자(40)의 상면에 고정된 고정부재(230)에 연결되는 피스톤 로드(220)와, 상기 피스톤 로드(220)의 둘레에 구비되며 상단은 상기 피스톤 로드(220)의 상단부에 외측으로 돌출형성된 머리부(220a)의 밑단(220b)에 고정 되고 하단은 상기 가이드 외함(210)의 내측 바닥면(210a)에 고정되는 탄성부재인 코일형 스프링(250)으로 이루어진다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 림·대차 고정부의 확대 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 림·대차 고정부(300)는 상기 도 6에서의 코일형 스프링(250)이 판형 스프링(350)으로 대체된 것이며, 기타의 구성요소를 동일하게 포함한다.
상기 림·대차 고정부(200,300)의 코일형 스프링(250) 또는 판형 스프링(350)은 그 하단이 가이드 외함(210)의 내측 바닥면(210a)에 고정된 상태에서 상방향으로 반발력을 작용하게 되어, 전기자(40)에 의해 하방향으로 작용하는 하중을 분산시키는 역할을 한다. 이에 따라, 변위조절기(100)의 원통형 영구자석형 모터(120)의 용량을 경량화시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 공극제어 시스템의 변위량 계산 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프로서, (a)는 변위조절기에 의해 선형유도전동기에 가해진 힘의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이고, (b)는 선형유도전동기의 변위량의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8의 (a)는 최적화된 스프링 탄성계수와 댐핑계수를 갖는 코일형 스프링(250)이 적용된 4개의 림·대차 고정부(200)를 이용하여 약 700 kg의 하중을 갖는 선형유도전동기를 3 mm 들어올리는데 약 300 N의 힘을 필요로 하게 되며, 이러한 힘은 코일형 스프링(250)이 없을 경우에 약 7000 N의 힘을 필요로 하는 경우에 비하여 소요되는 힘의 양을 최소화시킬 수 있음을 나타낸다.
도 1은 종래 선형유도전동기를 이용한 철도차량용 리니어 추진시스템의 전면도,
도 2는 본 발명에 따른 변위조절기와 림·대차 고정부를 구비한 철도차량용 리니어 추진시스템의 전면도,
도 3은 본 발명에 따른 변위조절기와 림·대차 고정부를 구비한 대차 모델의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 선형유도전동기의 공극제어 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 변위조절기의 확대 단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 림·대차 고정부의 확대 단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 림·대차 고정부의 확대 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 공극제어 시스템의 변위량 계산 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 철도차량 20 : 대차
30,200,300 : 림(LIM)·대차 고정부 40 : 전기자
50 : 차륜 60 : 회전자
70 : 백-아이언 80 : 레일
90 : 지면 100 : 변위조절기
110 : 변위조절기 외함 120 : 원통형 영구자석형 모터
122 : 전기자코일 124 : 마그넷
126 : 철심 127,230 : 고정부재
128 : 마그넷이동자 130 : 변위가변 스토퍼
210 : 가이드 외함 220 : 피스톤 로드
250 : 코일형 스프링 350 : 판형 스프링
400 : 공극센서 500 : 공극제어부

Claims (7)

  1. 철도차량의 리니어 추진 시스템으로 이용되는 선형유도전동기에 있어서,
    상기 철도차량의 차륜이 접촉되는 평행한 레일 사이의 지면상에 상기 철도차량의 대차 이동방향을 따라 평행하게 설치되는 회전자;
    상기 회전자와 대향하여 소정의 공극이 형성되도록 상기 대차 저면에 설치되어 이동자기장을 발생시키는 전기자;
    상기 공극의 크기가 기 설정된 값으로 유지되도록 상기 전기자의 상하 위치를 제어하기 위하여 공극의 크기정보를 감지하여 출력하는 공극센서, 상기 공극센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기 설정된 크기정보와 비교하여 상기 공극이 기 설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기, 및 상기 제어기로부터 출력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 전기자의 위치를 상하로 조절하는 변위조절기를 포함하는 공극제어부; 및
    상기 대차의 저면에 상기 전기자를 고정시킴과 아울러 상기 전기자의 하중을 감소시키기 위한 림·대차 고정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 변위조절기는,
    상기 대차의 저면에 고정되는 변위조절기 외함과, 상기 변위조절기 외함의 내부에 구비되고 교류전류가 인가되는 전기자코일과, 상기 전기자코일에서 발생하는 이동자기장에 의해 상기 전기자코일의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자의 상면에 고정된 고정부재에 연결되는 마그넷이동자를 구비하는 원통형 영구자석형 모터로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 림·대차 고정부는,
    상기 대차의 저면에 고정되는 가이드 외함과, 상기 가이드 외함의 내측에서 상하로 이동가능하도록 설치되며 하단부는 상기 전기자의 상면에 고정된 고정부재에 연결되는 피스톤 로드와, 상기 피스톤 로드의 둘레에 구비되며 상단은 상기 피스톤 로드 상단부에 외측으로 돌출형성된 머리부의 밑단에 고정되고 하단은 상기 가이드 외함의 내측 바닥면에 고정되는 탄성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄성부재는 코일형 스프링 또는 판형 스프링인 것을 특징으로 하는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 변위조절기의 위치에 대한 상기 공극센서의 위치는 상기 변위조절기의 반응시간 동안 상기 철도차량이 최대로 이동할 수 있는 거리만큼 상기 철도차량의 진행방향에 대하여 전방으로 이격된 것을 특징으로 하는 철도차량용 선형유도전동기의 공극제어 시스템.
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