KR101006849B1 - 바퀴식 초고속 철도 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바퀴식 초고속 철도 시스템에 관한 것으로; 선로상에 구비되어 차량의 대차에 구비되는 차륜이 접촉되는 레일과, 상기 레일 사이의 선로 답면상에 구비되는 받침대와, 상기 대차 및 받침대 사이에 구비되어 고속 영역에서 축중(Axle load)을 저감시켜 주행 성능을 향상시키는 반발식 선형동기모터와, 상기 받침대의 양측에 경사지게 설치되는 제1 및 제2철판과, 상기 차량의 대차상에 상기 제1 및 제2철판에 대응되도록 경사지게 설치되어 흡인력을 발생하는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명은 표준 철도 바퀴식 시스템을 사용하여 일반 표준 철도 구간이나 튜브 철도(대기압의 1/5～1/1000의 저진공)에서 400 ~ 1000㎞/h까지 안정적으로 주행할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명은 표준 철도 바퀴식 시스템을 사용함으로서 종래 자기부상열차(Maglev)에 비하여 분기 장치가 획기적으로 간단하며 분기가 용이하고, 공간을 적게 차지하여, 튜브 철도 등에 적용하는 경우에는 밀폐된 튜브 공간의 범위를 최소화할 수 있음은 물론, 3 선로 이상의 정거장 분기 선로 구축도 용이하여 다수 차량이 있는 대량 교통량 시스템에 유리하다.

철도, 튜브, 차륜

Description

바퀴식 초고속 철도 시스템 { wheel typed superspeed train system }

본 발명은 바퀴식 초고속 철도 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 일반 철도의 표준 철제 차륜을 가지면서도 안정적으로 400∼1000km/h의 초고속으로 운행할 수 있는 바퀴식 초고속 철도 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 430km/h 이상의 속도로 주행하는 초고속 열차 시스템으로는 대표적으로 자기부상열차(Maglev)가 있다.

이와 같은 자기부상열차(Maglev) 시스템은 도 1에 도시된 바와 같은 독일의 상전도 흡인식인 Transrapid와, 도 2에 도시된 바와 같은 일본의 초전도 반발식인 MLX Maglev가 있다.

상기 독일의 Transrapid는 부상 추진 겸용 LSM을 채용하여 부상 공극을 ±0.1㎜ 오차 이내로 제어하고 있다.

이때, 상기 독일의 Transrapid 및 일본의 MLX는 차상 전원 공급을 160km/h 이하의 저속 주행시나 정지시에는 접촉(Contact) 방식의 집전장치로부터 전기를 공 급받으며, 고속 주행시에는 유도 급전 방식에 의해 무접촉으로 전기를 공급받으며, 비상시를 대비하여 배터리를 차상에 가지고 있다. 특히 독일의 Transrapid 및 일본의 MLX는 저속이나 정시 시에도 부상을 위한 전력을 많이 필요로 하기 때문에 이런 전기 공급 방식을 사용하지 않을 수 없다.

또 다른 초고속 열차 시스템으로 튜브(tube)라는 밀폐된 공간을 아진공으로 만들고 그 속에서 열차가 주행하는 튜브 철도 시스템으로는 도 3에 도시된 바와 같은 Swissmetro라는 시스템이 있다.

그리고, 또 다른 초고속 열차 시스템으로 도 4에 도시된 바와 같이 단면이 반원형인 Run Way를 주행하는 시스템으로 Magneplane 시스템이 제시되어 있다.

한편 최근에는 도 5에 도시된 바와 같이 미국의 Powell과 Danby가 제안하고 있는 자기부상열차 시스템이 제시되어 있는데, 이는 초전도 반발식으로 부상과 추진(LSM)하는 방식으로 4상환(Quadrupole Magnets) 초전도 자석을 채용하여 건설비를 절감할 수 있는 장점을 가진다.

그런데, 이와 같은 종래의 자기부상열차(Maglev) 시스템들은 아무런 지지 없이 공중에 떠서(Levitation) 가는 방식이므로 열차의 상하 진동에 취약하여 선형추진모터의 1차측과 2차측 사이에 공극이 클 수밖에 없는 구조이다.

일예로서, 상기 독일의 Transrapid 시스템에서는 열차의 주행속도가 450km/h인 경우 8 ~ 14㎜ 사이를 ±0.1㎜오차로 속도에 따라 다르게 공극을 유지하며, 속도가 600km/h 이상으로 증가된다면 보다 큰 공극을 필요로 하며, 상기 시스템은 상 전도 방식이므로 자속밀도가 낮아 효율이 떨어져 전력 소모가 많다. 이때, 상기 Transrapid는 부상 추진 겸용 LSM을 채용하고 있는데, 부상 공극을 ±0.1㎜ 오차로 제어하기 위해서는 전기적 역률의 희생이 있어야 하므로 전기 효율이 나빠 전력 소모가 큰 구조적 단점을 가지고 있다.

한편, 일본의 MLX 시스템의 경우에는 100 ~ 150㎜의 공극을 갖는데, 일반적으로 회전형 모터가 0.5~1㎜ 공극을 갖는 것과 비교해 보면 선형모터의 효율이 나빠질 수밖에 없는 구조임을 알 수 있다.

또한 종래의 자기부상열차(Maglev)는 전기의 힘으로 떠서 가므로 예상치 못한 정전시를 대비하여 착륙을 위한 Skid나 소형의 비상 바퀴 및 비상 배터리를 가지고 있다. 이러한 비상 착륙 장치는 아직 많은 문제점을 안고 있으며 검증되지 못한 측면이 있는데, 특히 소형 비상 바퀴는 철도 레일과-차륜 조합에서 요구되는 답면 프로파일과 주행 메커니즘을 갖지 못함으로써 착륙 구간에서 곡선을 만난다면 바퀴의 파손과 과도한 마찰열의 발생이 우려된다. 그리고 600km/h 이상의 초고속 영역에서는 Skid 장치도 과도한 마찰열로 설비가 손상될 우려가 있다.

또한, Swissmetro의 경우에는 튜브 철도 시스템은 평상시 아진공 상태로 유지되고 있지만 만일의 비상 사태가 발생하면 진공을 깨야하는데, 진공이 깨지는 속도는 거의 음속(1224km/h)이므로 이런 빠른 환경 변화가 발생하면 열차가 진동하게 되며, 특히 공중에 떠서 가다가 이런 급격한 충격파에 의해 열차가 상하 진동하면 안전에 위협적인 운동이 발생하여 열차 코일을 긁는 손상이 발생할 가능성이 존재한다.

또한, 도 1 내지 도 3의 자기부상열차(Maglev) 시스템들의 선로구축물은 T 자형 Railway 또는 수직 벽이 있는 Railway를 가지므로 튜브 방식에서는 공간을 많이 차지하고 시설물을 건설하는데 많은 비용이 소요되는 비용 상승의 문제점이 있다.

그리고, 종래의 자기부상열차(Maglev)의 분기 장치는 육중한 선로 자체가 이동하여야 하므로 장치가 크고, 분기 전환하는데 시간이 필요하고, 공간을 많이 차지하고, 튜브 철도에서는 밀폐된 튜브 공간의 범위가 매우 확대되어야 하며, 3 분기 이상의 선로 구축이 용이하지 않아서 다수 차량으로 많은 교통량을 형성하는 대량 수송 시스템에서는 심각한 장애 요인으로 작용한다. 또한, 분기의 복잡성으로 비상시 구원 열차의 출동이나 유지보수 차량의 통행 등에도 많은 제약이 따를 수밖에 없으므로 열차의 운영적인 측면에서는 여러 가지 애로사항을 안고 있다.

한편, 600㎞/h 이상의 초고속 열차는 속도가 증가하면 속도의 제곱승 이상으로 기하급수적으로 증가하는 소음과 공기 저항의 문제로 일반 노출(Open) 구간에서는 실현되기가 어렵다.

또한 종래 일반적인 열차의 점착식(Adhesive) 동력 전달에는 한계가 있고, 설령 그 한계를 극복하였다 하더라도 레일 마모가 급증하는 문제 등으로 일반 철제 바퀴식 방식으로는 한계적인 상황임에 틀림없다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 일반 철도의 표준 철제 차륜을 가지면서도, 차량 하부 레일 내측 공간에 반발식 선형동기모터(Linear Synchronous Motor : LSM)을 배치하고, 그 옆으로 양쪽으로 경사지게 흡인식 운동제어자석(Dynamic Motion Control Magnet : DMC)을 두어 고속에서 차량의 횡운동과 수직 운동 및 축중을 제어하여 400 ~ 1000km의 초고속으로 운행할 수 있는 바퀴식 초고속 철도 시스템을 제공하는데 있다.

특히 본 발명은 바퀴식으로 초고속에서 안정된 주행이 가능한 이유는 초전도 또는 상전도의 반발식 LSM에서 추진력(Thrust Force)에 수반되어 부수적으로 발생되는 수직 반발력이 차량을 궤도 중심선의 위쪽 방향으로 밀어올려 축중을 경감하고, 경사지게 배치된 운동제어자석(DMC)이 양쪽에서 균형되게 차륜의 횡운동과 수직 운동 및 축중을 제어하여 차량의 횡운동(사행동)과 수직운동(Hunting)을 억제하여 400∼1000km/h의 초고속으로 운행할 수 있는 바퀴식 초고속 철도 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

선로상에 구비되어 차량의 대차에 구비되는 차륜이 접촉되는 레일과, 상기 레일 사이의 선로 답면상에 구비되는 받침대와, 상기 대차 및 받침대 사이에 구비 되어 고속 영역에서 축중(Axle load)을 저감시켜 주행 성능을 향상시키는 반발식 선형동기모터와, 상기 받침대의 양측에 경사지게 설치되는 제1 및 제2철판과, 상기 차량의 대차상에 상기 제1 및 제2철판에 대응되도록 경사지게 설치되어 흡인력을 발생하는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템을 제공한다.

이때, 상기 제1 및 제2철판과, 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석은 30 ~ 60°로 외측으로 상향 경사지게 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선로의 진공압이 대기압의 1/5 ~1/1000상태인 튜브형 선로인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 차량의 대차에는 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석의 변위 및 각도를 제어하기 위한 제1 및 제2엑츄에이터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석과 제1 및 제2철판 사이의 공극을 감지하는 공극감지수단이 차량의 대차에 더 구비되고, 상기 공극감지수단의 감지정보를 이용해 제어장치에서 공극 거리를 연산하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 공극감지수단은 레이저센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 반발식 선형동기모터는 대차에 구비되는 차상 전자석과, 궤도에 고정되는 받침대의 상면에 구비되는 전기자 코일로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레일의 간격은 표준 궤간인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 표준 철도 바퀴식 시스템을 사용하여 일반 표준 철도 구간이나 튜브 철도(대기압의 1/5～1/1000의 저진공)에서 400 ~ 1000㎞/h까지 안정적으로 주행할 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명에 따른 초고속 철도 시스템은 표준 철도 바퀴식 시스템을 사용함으로서 종래 자기부상열차(Maglev)에 비하여 분기 장치가 획기적으로 간단하며 분기가 용이하고, 공간을 적게 차지하여, 튜브 철도 등에 적용하는 경우에는 밀폐된 튜브 공간의 범위를 최소화할 수 있음은 물론, 3 선로 이상의 정거장 분기 선로 구축도 용이하여 다수 차량이 있는 대량 교통량 시스템에 유리하다.

또한, 본 발명은 철제 바퀴에 의하여 안전하게 지지되고 비상시에 작동하는 기계적 브레이크를 가지므로 종래 자기부상열차에 비하여 안전도가 높고, 철제 바퀴가 하중을 지지하므로 부상(Levitation)과 안내(Guidance)을 위한 에너지가 필요 없고, 반발식 선형동기모터의 차상 전자석과 지상 전기자 코일 사이 공극이 철제 레일과 차륜의 답면 프로파일에 의해 안전하게 유지되므로 종래 자기부상열차에 비하여 공극의 크기를 줄일 수 있어 전기 효율이 향상되는 장점도 있다.

한편, 본 발명은 독일 Transrapid Maglev의 T 자형 선로(가이드웨이) 또는 일본 MLX 방식에서의 차체 높이의 수직 벽이 필요 없고, 대신 차륜 높이의 수직 측벽과 바닥에 궤도 구조물만을 가짐으로 원형 형태의 튜브 공간에 가장 적합한 횡단면 프로파일을 가지며, 따라서 점유 공간을 최소화 하여 건설비를 저감할 수 있는 효과도 있다.

또한, 종래의 자기부상열차가 차상 전력 공급용 유도 발전기가 차상과 지상 사이의 공극을 통한 유도 발전 원리를 이용하는데 반해, 본 발명은 차축의 회전을 이용한 원형 발전기를 미소 공극으로 설치 가능하므로 전기 효율이 향상되고 설치비가 절감되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 기존의 모든 철도가 표준 궤간의 바퀴식 철도이므로 이 철도 차량과 상호 통행의 호환성(Interoperability)이 확보되므로 유지보수 열차나 비상 구원 열차 등이 이 철로로 통행할 수 있으므로 종래 자기부상열차에 비하여 유지보수성과 안전성이 훨씬 높다.

이하, 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템을 상세히 설명한다.

이때, 도 6은 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템의 작동 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 선로를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 튜브형 선로 중 직선구간을 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 튜브형 선로 중 곡선구간을 도시한 단면도이고, 도 10은 본 발명의 차량 요부를 정면에서 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 차량 요부를 측면에서 도시한 도면이고, 도 12는 본 발명의 차량 요부를 평면에서 도시한 도면이고, 도 13은 본 발명의 분기구간에서의 차량 제어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 6 내지 도 12에 의하면, 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템은 선로(100)상에서 차량(200)을 최대 400 ~ 1000km/h의 속도로 운행하는 것이 가능하도록 하기 위해 UIC 또는 우리나라의 철도 표준 레일(110,112)과 표준 답면 프로파일을 갖는 부수(Trailing) 철도 차륜(212,214)을 구비하고, 차량(200)의 하부와 레일(110,112) 내측 공간에 반발식 선형동기모터(Linear Synchronous Motor : LSM)(120)를 구비하여 차량(200)을 비점착식으로 추진하면서 축중(Axle load)을 경감하는 힘을 발휘토록 하고(Unsprung Mass 저감), 그 측면 양쪽으로 30 ~ 60°(바람직하게는 45°) 경사지게 제1 및 제2흡인식 운동제어자석(Dynamic Motion Control Magnet : DMC)(130,140)을 두어 횡력 및 수직력을 벡터적으로 차체(201)하부의 대차(210)에 인가하여 고속에서 차량(200)의 횡운동과 수직 운동을 억제하고 축중을 제어하는 구조로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 반발식 선형동기모터(LSM)(120)는 대차(210)의 중앙 하부에 초전도 또는 상전도 방식의 차상 전자석(122)을 설치하고 지상의 궤도(101) 중앙에 고정되는 받침대(104)의 상면에 철심(Core)이 없는 공심형 전기자(Stator) 코일(124)을 설치하여서 이루어지며, 차량(200) 주행시에 반발력이 발생하는 원리를 이용하는 것으로서, 차상의 초전도 또는 상전도 방식의 차상 전자석(122)과 쇄교하며, 지 상의 전기자 코일(124)의 전류 크기에 따라 추진력의 크기를 조절하여 원하는 속도를 낸다. 이때, 차량(200)이 주행함에 따라 반발력이 차상 전자석(122)과 지상의 공심형 전기자 코일(124) 사이에 생기는데, 상기 반발력은 차량(200)을 궤도 중심선을 따라 중력의 반대 방향 즉, 위로 밀어 올리는 힘으로 작용하게 되며, 결국 축중을 경감하는 작용을 하며, 그 반발력의 크기는 차량(200)의 주행 속도에 비례하여 증가한다.

이 경우, 상기 반발력의 크기는 요구 추진력의 상황과 차량의 속도, 선형, 실시간 횡압/윤중의 비와 구간 특성 등 다양한 관계 변수를 종합하여 강제 제어하게 되는데, 반발력(축중 경감력)의 최대 크기는 차량과 선로 특성을 종합적으로 평가하여 결정하나, 400 ~ 600㎞/h 영역에서는 20%, 600 ~ 700㎞/h 영역에서는 30%, 700 ~ 800㎞/h에서는 40%, 800 ~ 900㎞/h에서는 50%, 900 ~ 1000㎞/h에서는 60% 정도의 축중이 경감되도록 제어함이 바람직하다.

다음으로 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(DMC)(130,140)은 차상에 초전도 또는 상전도 방식의 자석을 경사지게 설치하여서 이루어지며, 지상의 선로 궤도(101) 중앙에 고정되는 받침대(104)의 양측에는 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(DMC)(130,140)에 대응되게 자속의 통로인 제1 및 제2철판(Steel Plate, 또는 다른 재질의 강자성체)(132,142)과 전자기적 인력(흡인력)이 작용한다. 이때, 인력(흡인력)은 차상의 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 전류의 크기와 공극에 의해서만 변한다.

이때, 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)은 경사지게 배치되므로 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 흡인력은 설치 각도에 따라 벡터적으로 분해되어 수평 분력과 수직 분력으로 나누는데, 수평 분력은 차량의 횡운동을 억제 및 제어하는데 사용되고 수직 분력은 차량의 수직 운동(Hunting)을 제어하는데 사용된다.

상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 제어는 제어장치(155)가 담당하는데, 이는 1차적으로 차상의 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 지상의 제1 및 제2철판(132,142) 사이의 공극(Air Gap)의 크기에 대한 신호를 받으며, 2차적으로는 선로(100)의 구간(직선구간/곡선구간/분기구간)에 대한 신호와 속도신호를 받고, 다음으로 횡압/윤축에 대한 정보와 추진력의 크기 등 영향 변수에 대한 신호를 받게 된다.

이와 같은 신호들이 입력되면 상기 제어장치(155)는 각각의 케이스별로 미리 정해진 제어 시나리오에 따라 제어하게 되는데, 제어의 목표는 1차적으로 차륜(212,214)의 횡운동을 일정 범위(예를 들어, 600km/h 기준 직선 구간에서 약 ±2㎜이내)로 제어하고, 2차적으로는 기준치를 넘어가는 차량(200)의 수직 운동(Hunting) 발생시 이를 부드럽게 가라앉히고, 3차적으로는 곡선 구간에서 부족 캔트를 메우는 기능을 한다.

한편, 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)에서 발생되는 수직 분력(45°의 경우 흡인력의 1.414배(=2×0.707)은 궤도(101) 중심선의 아래쪽 방향 으로 작용하고, 상기 반발식 선형동기모터(120)에서 만들어내는 축중 경감력(반발력)은 궤도(101) 중심선의 위쪽 방향으로 작용하므로 서로 상충되는 힘이다. 그러나, 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)은 고속 주행 상태에서 차량(200)의 동적 운동에서 기준치를 넘어가는 과도한 횡 또는 종 방향 운동을 억제 및 제어하고자 함에 그 목적이 있는 것으로 그 크기가 차량(200) 자중(自重)의 3%(400km/h) ~ 15%(1000km/h) 정도이면 충분하다. 이에 비하여 반발식 선형동기모터(120)의 축중 경감력은 차량(200) 자중의 20%(400 ~ 600㎞/h)에서 60%(900 ~ 1000㎞/h)이다. 따라서 반발식 선형동기모터(120)의 수직 분력이 축중 경감력에 미치는 영향은 미미하므로 무시해도 무방하다.

그리고, 차상과 지상 사이 공극은 반발식 선형동기모터(120)의 공극 신호와 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 양쪽 공극 신호와 열차의 각 차량(200)별 공극 신호(예를 들어, 열차 길이 방향 각 지점에서의 공극 신호)를 받아서, 이것을 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 경사도와 합성하여 기하학적으로 계산하여 파악하며, 이것으로 현재 차량의 변위가 횡운동(Yawing, Snake Motion)에 의한 것인지 또는 수직 운동(Hunting)에 의한 것인지, 곡선 구간 주행에 따른 것인지를 파악하여 그 상태에 맞는 속응 제어(High Frequency Response Control)를 시행한다. 일 예로 실시간으로 감시하는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 제1 및 제2철판(132,142)사이의 공극에서 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140) 중에 어느 하나의 공극이 작아지면 해당 흡인식 운동 제어 자 석의 계자 전류를 줄이면 반대편 흡인식 운동 제어 자석보다 흡인력이 작아져서 차륜(212,214)의 중심점이 레일(110,112)의 중심으로 복귀하도록 하는 제어 알고리즘을 사용한다.

한편, 선로(100)의 분기 구간에서는 반발식 선형동기모터(120)의 전기자코일(124)과 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)에 반응하는 제1 및 제2철판(132,142)을 모두 구비하지 않는다. 따라서 레일(110,112) 내측 공간에 분기 레일을 구비할 수 있게 됨에 따라 분기는 기존 표준 철도 방식과 같이 분기 레일(111)을 따라 차량(200)이 이동되는 간편한 분기 시설이 된다. 분기 구간에서 열차는 타행으로 통과한다.

그리고, 차량(200)에 구비된 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 반발식 선형동기모터(120)의 차상 전자석(122)은 선로 측의 제1 및 제2철판(132,142)과 전기자코일(124)과 직선 구간이나 곡선 구간 그리고 주행시 및 정지시에 기계적 접촉이 없도록 게이지를 설정하여 설계 및 취부시킴은 당연하며, 분기구간의 분기 레일(111)의 상면과도 기계적으로 접촉되지 않도록 설정되어야 한다.

이를 위해 차량(200)의 대차(210)상에 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)이 취부되는 브래킷(150)에 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 변위와 각도를 기계적으로 제어하는 제1 및 제2엑츄에이터(Actuator)(152,154)가 더 구비된다.

이때, 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 제1 및 제2철판(132,142) 사이의 공극은 직선 구간에서는 차량(200)의 횡운동에 따른 변위만이지만, 곡선구간에는 선형과 캔트별로 최고속도 주행 시와 저속 주행 그리고 차량 정지시에 변위가 크게 달라진다. 예를 들어 선로(100)의 곡선 구간에 설치되는 캔트가 최대 주행 가능 속도에 맞추어져 시공되어 있는 경우는 차량(200)이 이 곡선 구간을 저속으로 통과하거나 또는 정지 해 있는 경우는 차량이 곡선 내측으로 쏠리거나 미끄러져 내려 올 수 있는데 이럴 경우 반발식 선형동기모터(120)의 공극은 곡선 내측이 작아지고 곡선 외측은 커지게 된다.

따라서, 이와 같이 선로(100)의 특성상 미리 예측 가능한 변위에 대응하기 위하여 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 변위와 각도 제어를 위해 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)를 구비한다.

이때, 상기 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)와 제1 및 제2철판(132,142)의 공극을 제어하기 위해 위치, 선형, 속도 정보를 피드백 받아 미리 알려진 곡선 구간에서 속도에 따른 차륜의 변위에 대응하는 사전에 알려진 큰 규모의 공극 제어를 담당하는 역할을 한다. 그렇게 함으로써 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)와 제1 및 제2철판(132,142)의 공극을 전 구간에서 미소하게 유지하는 것이 가능하도록 하여 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 전기 효율을 전반적으로 향상시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)는 그 사양이 10m/s 이상의 구동 속도와 ±50mm 이상의 구동 변위, 10kN 이상의 구동력을 갖는 것을 채용함이 바람직하다.

한편, 상기 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)가 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 변위를 조정할 때는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)을 10ms정도의 순간 정전을 시킨 후 조정하며, 조정이 끝나면 바로 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)에 전원을 투입(Power On)하는 알고리즘을 사용한다.

이 경우 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)의 제어를 통해 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 변위를 조정하는 경우 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 제1 및 제2철판(132,142) 사이의 공극을 감지하는 공극감지수단(160)이 더 구비된다.

이와 같은 공극감지수단(160)은 차체(201)의 일측에 설치되어 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)과 제1 및 제2철판(132,142)과의 거리인 공극을 측정할 수 있다. 이때, 상기 공극감지수단(160)은 레이저센서로 구성함이 바람직하다.

한편, 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140) 및 반발식 선형제어모터(120)와, 제1 및 제2엑츄에이터(152,154)의 제어 및 공극감지수단(160)의 감지신호를 입력받으며 종합적인 연산을 제어장치(155)에서 수행한다.

그리고, 선로(100)중에 부족 캔트로 시설된 곡선 구간에서 차량(200)이 최대 속도로 주행하면 차량(200)은 곡선 외측으로 원심력에 따른 쏠림을 쉽게 경험하는데, 이와 같은 경우에도 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 흡인력을 조절하여 곡선 내측의 제1 또는 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 흡인력을 곡선 외측의 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)보다 크게 하는 방법으로, 부족 캔트로 시설하고도 곡선에서 최대 속도로 통과할 수 있도록 돕는 역할을 할 수 있다.

이와 같이 곡선 반경에 따른 원심력의 크기와 캔트량을 고려하여 곡선 내측의 제1 또는 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)의 전류와 곡선 외측의 운동 제어 겸용 선형동기모터의 전류를 상대 비교하여 횡방향 벡터 합이 원심력과 평형을 이루도록 하여 곡선 구간 통과를 돕는 수직력(흡인력) 제어 메커니즘을 사용할 수 있다.

한편, 이상과 같은 구조에 의하면 차량(200)을 400 ~ 1000km/h의 초속도로 안정적인 주행이 가능해지게 되는데, 이는 첫째 반발식 선형동기모터(120)가 차축의 하부에서 축중을 30% 이상 저감시키며, 둘째 고속 영역에서 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)이 차량(200) 자중의 3 ~ 15%의 힘으로 제어하며, 셋째 차량(200)이 비점착식으로 추진되므로 차량(200)의 진동을 제어하는 것이 용이하며, 넷째 차량(200)이 무동력 부수(Trailing) 차축을 사용하는 관계로 동력전달 기어박스의 생략과 작은 직경 차륜을 채용할 수 있어 대차(210)의 스프링하질량(Unsprung Mass)를 줄일 수 있다는 점 등이 복합적으로 작용하여 발휘된다.

한편, 상기 차상에는 초전도 자석 냉각용으로 액화질소(Liquefied Nitrogen)탱크(170)가 구비되며, 액화질소의 순환 루트에 차축 베어링 박스(Axle Box)를 포 함시키면 베어링의 열은 물론이고 철(Steel)의 전도에 따른 차륜의 냉각 효과도 얻을 수 있어, 바퀴식으로 초고속 주행에 따른 장애 요인이 해소됨은 당연하다.

또한, 이와 같은 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템은 대기압의 1/5 ~ 1/1000 진공도의 튜브식 철도에도 적용함이 바람직하다.

그리고, 선로(100)상의 레일(110,112)의 간격은 표준 궤간(1,435㎜)이외에도 1000 ~ 2000mm까지 다양한 궤간을 선택적으로 적용할 수 있다.

한편, 차량(200)에 설치되는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석(130,140)은 철심형(Core)으로 하나 이를 대신하여 공심형(Coreless)으로 하고 대신 흡인력을 발생시키고 제어하는 타입의 안내 전자석(Guide Magnet)을 첨가하는 방식으로 이루어짐도 가능하다.

그리고, 상기 반발식 선형동기모터(120)를 구성하는 차상 전자석(122)의 경우에 공극의 크기를 크게 할 수 있는 장점과 공극 자속의 세기를 크게 하여 전기적 효율을 향상시킬 수 있는 면에서 초전도 자석(Super Conducting Magnet)을 사용하는 것이 바람직하지만, 전력 소모가 많은 상전도 전자석이나 영구자석을 사용함도 가능하다.

한편, 차량(200)에서 필요로 하는 전력을 얻기 위한 방법으로 차축(213)의 회전을 이용하여 유도 발전하거나 또는 직접적으로 벨트나 체인을 이용하는 발전설비(미도시됨)를 장착할 수 있다. 차량(200)의 제동을 위한 설비를 차축(213)에 장착하는 것이 가능하며, 와전류 제동 설비를 차축에 연결하는 것도 가능하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

도 1 내지 도 5는 종래의 자기부상 열차 시스템의 다양한 예들을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 바퀴식 초고속 철도 시스템의 작동 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명의 선로를 도시한 단면도이다.

도 8은 본 발명의 선로 중 직선구간을 도시한 단면도이다.

도 9는 본 발명의 선로 중 곡선구간을 도시한 단면도이다.

도 10은 본 발명의 차량 요부를 정면에서 도시한 도면이다.

도 11은 본 발명의 차량 요부를 측면에서 도시한 도면이다.

도 12는 본 발명의 차량 요부를 평면에서 도시한 도면이다.

도 13은 본 발명의 분기구간에서의 차량 제어를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100: 선로 101: 궤도

104: 받침대 120: 반발식 선형동기모터

122: 차상 전자석 124: 전기자 코일

130: 제1흡인식 운동 제어 자석 132: 제1철판

140: 제2흡인식 운동 제어 자석 142: 제2철판

152: 제1엑츄에이터 154: 제2엑츄에이터

155: 제어장치 200: 차량

210: 대차

Claims (8)

1. 선로상에 구비되어 차량의 대차에 구비되는 차륜이 접촉되는 레일과;

   상기 레일 사이의 선로 답면상에 구비되는 받침대와;

   상기 대차 및 받침대 사이에 구비되어 고속 영역에서 축중(Axle load)을 저감시켜 주행 성능을 향상시키는 반발식 선형동기모터와;

   상기 받침대의 양측에 경사지게 설치되는 제1 및 제2철판과;

   상기 차량의 대차상에 상기 제1 및 제2철판에 대응되도록 경사지게 설치되어 흡인력을 발생하는 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2철판과, 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석은 30 ~ 60°로 외측으로 상향 경사지게 구비되는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 선로의 진공압이 대기압의 1/5 ~1/1000상태인 튜브형 선로인 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 차량의 대차에는 상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석의 변위 및 각도를 제어하기 위한 제1 및 제2엑츄에이터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2흡인식 운동 제어 자석과 제1 및 제2철판 사이의 공극을 감지하는 공극감지수단이 차량의 대차에 더 구비되고, 상기 공극감지수단의 감지정보를 이용해 제어장치에서 공극 거리를 연산하는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 공극감지수단은 레이저센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 반발식 선형동기모터는 대차에 구비되는 차상 전자석과, 궤도에 고정되는 받침대의 상면에 구비되는 전기자 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 레일의 간격은 표준 궤간인 것을 특징으로 하는 바퀴식 초고속 철도 시스템.

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