KR100960914B1 - 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템 - Google Patents

초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 전동기 구동방식을 탈피하고 진동 및 소음을 줄이고 전기철도 차량을 소형화하여 공사비를 줄임과 함께 쾌적한 전기철도 운행을 도모하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 자기력선을 발생하는 초전도 재료로 만들어진 초전도 코일로 포설된 터널;
액화질소 또는 액화헬륨으로 충전된 터널 외피;
상기 터널 외피의 온도 및 압력을 유지하는 온도 및 압력 유지 장치
다수의 부분에 초전도 자석을 장착한 차량;
상기 차량에 전원을 공급하는 차량 지지 바퀴;
상기 차량 지지 바퀴에 교류 전력을 공급하는 전원;
상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환기; 및
를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템{Micro-green Electric Railway System Using Superconductivity Magnet}
본 발명은 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도에 관한 것으로, 대단위의 전기철도 차량의 기관설비 및 동력설비를 최소화할 수 있고 저소음과 차량의 소형화를 도모하여 전기철도 공사 비용을 현격히 줄일 수 있는 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템에 관한 것이다.
전기철도는 전력의 전송로로 가공전선 또는 제3궤조 및 레일을 사용하여 차량의 구동을 위해 필요한 전력을 공급받는 형태로 되어 있다. 차량에 공급하는 급전형태는 크게 직류 급전방식과 교류 급전방식으로 구분되는데, 국내의 전기철도는 직류 급전방식의 급전계통을 이용하고 있다.
기존의 전기철도의 경우 전원공급을 받아 전동기를 구동하여 그 추진력으로 차량을 운행하는 방식이다. 이 경우 많은 소음 및 진동을 발생하고 공사비 또한 막대한 것이 사실이다. 이러한 전기철도의 단점을 보완하기 위해 선 전동기 구동방식을 탈피하고 차량의 소형화를 꾀하여야 하는 형편이다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 전동기 구동방식을 탈피하고 진동 및 소음을 줄이고 전기철도 차량을 소형화하여 공사비를 줄임과 함께 쾌적한 전기철도 운행을 도모하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자기력선을 발생하는 초전도 재료로 만들어진 초전도 코일로 포설된 터널;
액화질소 또는 액화헬륨으로 충전된 터널 외피;
상기 터널 외피의 온도 및 압력을 유지하는 온도 및 압력 유지 장치
다수의 부분에 초전도 자석을 장착한 차량;
상기 차량에 전원을 공급하는 차량 지지 바퀴;
상기 차량 지지 바퀴에 교류 전력을 공급하는 전원;
상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환기; 및
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 의하면 전기철도 차량의 구동력을 초전도코일로 이루어진 터널에서 발생한 자기력과 초전도자석을 장착한 전기철도 차량의 자기력의 흡입반발을 이용하여 구동하므로 소음과 진동면에서 기존의 전동기 구동 방식보다 현저히 낮으며 차량의 동력부분을 차량에 장착하지 않으므로 차량의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 기존의 자기부상 열차의 단점인 차량부상만큼의 자기력을 필요로 하지 않은 점에서도 이점이 있다. 즉 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템은 차량 부상의 자력이 아니라 전기철도 차량이 운행할 수 있는 자기력만을 요한다. 초전도 코일을 터널에서 발생한 자기력과 초전도 자석을 장착한 전기철도 차량의 자기장의 흡입 반발로 운행을 한다. 그러므로 기존의 전동기 구동방식의 전기철도보다는 간단한 구조와 저소음, 저진동의 효과를 볼 수 있고, 터널을 작게 굴착할 수 있고, 차량 또한 작게 만들 수 있어 공사비를 절감할 수 있다. 또한 자기부상열차와는 달리 차량을 부상시킬 필요가 없으므로 에너지 효율 면에서도 이점을 얻을 수 있다.
도 1은 터널에 초전도 코일을 포설한 모습을 도시한다.
도 2는 초전도 코일터널의 상세구성도이다.
도 3은 초전도 자석을 장착 및 이용하는 차량의 개략 사시도를 도시한다.
도 4는 초전도 코일 포설한 터널 내를 초전도 자석을 장착한 차량이 구동하는 모습을 도시한다.
도 5는 본 발명의 초전도 자석을 이용한 전기철도 차량의 회로도를 도시한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1은 터널에 초전도 재료로 만들어진 초전도 코일을 포설한 모습을 도시한다. 도 1은 스케일로 도시되지 않는다. 도면에서 10은 초전도 코일을 나타내고, 점선으로 도시된 20은 자기력선을 나타낸다. 30은 터널을 나타낸다. 또한 40은 교류전원을 나타내고, 50은 교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환기이다. 초전도 코일(10)에서 화살표의 방향은 전류의 방향을 나타낸다.
터널을 초전도 코일(10)로 감고 그 코일(10)에 전원을 인가하여 터널(30) 내에 자기력선(20)을 발생시킨다. 또한, 초전도 코일(20)의 특성을 유지시키기 위해 터널 외피(후술함) 내에 액화질소 또는 액화헬륨으로 채워놓고 온도와 압력을 유지시켜준다. 도 1에 도시한 바와 같이, 전력변환기(50) 및 전원(40)은 초전도 코일(10)과는 병렬 구성되어 있다.
도 2a는 초전도 코일 터널의 구성도를 도시한다. 초전도 코일 터널의 길이는 10m 이상 또는 10m 이하로 차량의 크기에 따라 단위를 구성할 수 있다. 도 2a에서 터널 외피(30a)는 액화 질소 또는 액화 헬륨으로 충전되어 있다. 도 2a에서 60은 터널 외피(30a)에 연결된 온도 및 압력 유지장치를 나타내는데, 액화 질소 또는 액화 헬륨이 충전되어 있다. 도 2b는 초전도 코일 터널의 단면도를 도시한다.
이 도면에서 70은 궤도 레일로서 도시되지 않은 차량에 전원을 공급한다. 그리고 궤도 레일(70)은 차량의 상하로 배치된 바퀴를 지지한다.
도 3은 초전도 자석을 장착 및 이용하는 차량의 개략 사시도를 도시한다. 초전도 자석(10')은 도 3에 있어서, 좌우 중앙 세 군데에 설치했으나, 반드시 이로만 한정되지 않는다. 초전도 현상을 유지하기 위해 전술한 바와 같이 액체 헬륨 및 액체 질소 탱크 내에 유지시켜 둔다. 초전도 자석으로는 니오브를 함유한 합금이 이용되는데, 이것으로 한정되지 않는다. 차량 지지바퀴(70a)는 차량에 전원을 공급하는데 이용한다. 지지바퀴(70a)는 도시한 바와 같이, 상하로 조합되어 있다.
도 4는 본 발명의 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템의 전체 구성도를 도시하는데, 도시한 바와 같이 터널(30) 내에 차량(80)이 배치되며, 바퀴 및 레일(70a,70)에 의해 차량(80)이 지지되며, 바퀴(70a)에 의해 차량(80)이 지지된다. 터널 외피(30a)는 초전도 코일(10)의 초전도 현상을 유지하기 위해 액화 질소 및 액화 헬륨으로 충전되어 있다. 60은 온도 및 압력 유지장치를 나타내는데, 액화 질소 또는 액화 헬륨이 충전되어 있다. 이 도면에서 40은 전원이고, 50은 교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환기이다. 도면에서 굵은 화살표 표시는 자기력 방향 및 차량 주행방향을 나타낸다. 도 4에 있어서 초전도 자석을 차량의 좌우 두 곳에만 설치한 것으로 도시했지만, 전술한 바와 같이 차량의 좌우, 중앙 3곳에 설치된다.
또한, 도 4는 초전도 터널에서 발생한 자기력을 이용하여 초전도 자석을 장착한 차량이 운행하는 구성을 도시하는데, 즉 도면에 도시한 바와 같이 터널의 자기력과 초전도 자석을 장착한 차량의 자기력의 상호간에 흡입반발을 이용하여 구동한다. 다시 말하면 도면에서 S 극끼리 반발력이 작용하고, N극끼리 반발력이 작용하므로 차량(80)이 앞으로 전진하게 된다. 전술한 바와 같이, 전력변환기(50) 및 전원(40)은 초전도 코일(10)과는 병렬 구성되어 있다.
도 5는 본 발명의 초전도 자석을 이용한 전기철도 차량의 회로도를 도시한다.
전력변환기(50)는 전원(40)을 통해 궤도레일(70)에서 전원을 공급받는다. 전력변환기(50)는 초전도 자석(10',10',10')에 직류전력을 공급한다. 도면에서 중앙통제부(90)는 각각의 초전도 자석(10',10',10')의 극성을 전기철도 차량의 운행조건에 따라 변화시킨다.
본 발명에 의하면 전기철도 차량의 구동력을 초전도코일로 이루어진 터널에서 발생한 자기력과 초전도자석을 장착한 전기철도 차량의 자기력의 흡입 반발을 이용하여 구동하므로 소음과 진동 면에서 기존의 전동기 구동방식보다 현저히 낮으며 차량의 동력부분을 차량에 장착하지 않으므로 차량의 크기를 줄일 수 있다. 또한 기존의 자기 부상열차의 단점인 차량 부상만큼의 자기력을 필요로 하지 않은 점에서 이점이 있다. 즉 초전도 자석을 이용한 마이크로 그린 전기철도 시스템은 차량 부상의 자력보단 전기철도 차량의 운행할 수 있는 자기력만을 요한다. 초전도 코일을 터널에서 발생한 자기력과 초전도 자석을 장착한 전기철도 차량의 자기장의 흡입 반발로 운행을 한다. 그러므로 기존의 전동기 구동방식의 전기철도보다는 간단한 차량의 구조와 저소음, 저진동의 효과를 볼 수 있고, 터널을 작게 굴착할 수 있고 차량 또한 작게 만들 수 있어 공사비를 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 자기부상열차와는 달리 차량을 부상시킬 필요가 없으므로 에너지 효율 면에서도 이점이 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 변경 및 변형실시될 수 있으며 이와 같은 변경 및 변형은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 초전도 코일 10a: 초전도 자석
20; 자기력선 30: 터널
30a: 터널 외피 30b: 액화질소 또는 액화 헬륨
40: 전원 50: 전력변환기
60: 온도 및 압력 유지장치 70: 궤도 레일
70a: 바퀴 80: 차량
90: 중앙통제부

Claims (4)

  1. 자기력선을 발생하는 초전도 재료로 만들어진 초전도 코일로 포설된 터널;
    액화질소 또는 액화헬륨으로 충전된 터널 외피;
    상기 터널 외피의 온도 및 압력을 유지하는 온도 및 압력 유지 장치
    다수의 부분에 초전도 자석을 장착한 차량;
    상기 차량에 전원을 공급하는 차량 지지 바퀴;
    상기 차량 지지 바퀴에 교류 전력을 공급하는 전원;
    상기 교류전력을 직류전력으로 변환하는 전력변환기; 및
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석을 이용한 전기철도 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 자석은 초전도 현상을 유지시키기 위해 액체 헬륨 또는 액체 질소 탱크 내에 유지되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석을 이용한 전기철도 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 터널의 길이는 상기 차량의 크기에 따라 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 자석을 이용한 전기철도 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초전도 자석의 극성을 차량의 운행조건에 따라 변화시키는 중앙통제부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자석을 이용한 전기철도 시스템.
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