KR101403697B1 - 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템 - Google Patents

선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휠온레일 방식으로 점착 구동이 이루어지는 철도차량에 있어서 고속 주행을 위하여 대용량의 회전형 모터 추진장치를 탑재하지 않으면서 선형 모터 추진장치를 이용하여 초고속 주행이 가능한 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템에 관한 것으로, 레일(10)을 따라서 휠온레일 방식으로 철도차량(30)의 주행이 이루어지는 철도 시스템에 있어서, 전차선(20)으로부터 전력을 공급받아 차륜을 구동하여 추진력을 제공하도록 철도차량(30)에 마련되는 회전형 모터구동부(110)와; 상기 철도차량(30)의 하부에 마련되는 계자부(210)와; 상기 레일(10)을 따라서 지상에 마련되어 이동자계를 발생시켜 상기 계자부(210)와의 전자기 상호작용에 의해 철도차량(30)의 추진력을 제공하기 위한 전기자부(220)를 포함하되, 저속 주행 구간에서는 상기 모터구동부(110)의 구동에 의해 철도차량(30)의 추진력이 제공되며, 고속 주행 구간에서는 상기 계자부(210)와 전기자부(220)의 전자기력에 의해 철도차량(30)의 추진력이 제공됨으로써, 기존의 전차선을 방식의 저속 일반 노선에서 운행이 가능하면서 고속 주행이 가능하며, 철도차량에 탑재될 회전형 모터 추진장치의 부피나 중량을 일반 고속 철도와 비교하여 줄일 수가 있으므로, 초고속 주행 시에 차륜의 마모 문제가 적은 효과가 있다.

Description

선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템{Wheel-on-rail system equipped with a rotary and linear motor propulsion}
본 발명은 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템에 관한 것으로, 특히 휠온레일 방식으로 점착 구동이 이루어지는 철도차량에 있어서 고속 주행을 위하여 대용량의 회전형 모터 추진장치를 탑재하지 않으면서 선형 모터 추진장치를 이용하여 초고속 주행이 가능한 철도시스템에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 가감속 성능은 차량의 무게와 추진장치의 성능을 고려하여 설정되며, 정차역이 많은 우리나라의 경우에 가감속 성능 향상은 운행시격 및 전체 소요시간 단축에 핵심이 된다.
종래의 휠온레일(Wheel On Rail) 방식의 고속철도는 차량에 회전형 모터 추진시스템이 탑재되어 있다.
휠온레일 방식의 철도시스템은 철도차량의 판토그래프를 통해 전차선으로부터 전기를 공급 받게 되며, 차량에 탑재된 변압기와 전력변환장치가 모터의 구동에 필요한 전압 및 전류를 적절히 변환시키고, 변환된 전류를 제어하여 회전형 모터를 구동시켜 차량의 추진력을 얻는다.
그러나 종래의 회전형 모터 추진 방식은 철도차량이 고속화 될수록 추진 시스템을 구성하는 변압기, 전력변환 장치와 모터 등의 용량이 커지게 되며, 이러한 대용량 추진 시스템으로 인하여 큰 설치공간을 필요로 하여 철도차량 내의 설치 문제와 중량 증가로 인한 차륜의 마모 문제가 커져 결국 철도차량의 초고속화에 한계가 있다.
또한 기존 초고속 자기부상열차에 사용되고 있는 초전도 전자석을 이용한 선형동기모터(Linear synchronous motor : LSM) 방식의 추진시스템은 지상궤도에 설치된 추진 코일에 흐르는 전류와 차량의 초전도 전자석과의 전자기적 작용으로 추진력을 얻기 때문에 차량에 대용량의 추진 시스템 없이도 초고속에 필요한 추진력을 얻을 수 있으나, 추진 코일이 없는 기존 전차선 선로에는 차량이 운행하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 휠온레일 방식으로 점착 구동이 이루어지는 철도차량에 있어서 고속 주행을 위하여 대용량의 회전형 모터 추진장치를 탑재하지 않으면서 선형 모터 추진장치를 이용하여 초고속 주행이 가능한 철도시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템은, 레일을 따라서 휠온레일 방식으로 철도차량의 주행이 이루어지는 철도 시스템에 있어서, 전차선으로부터 전력을 공급받아 차륜을 구동하여 추진력을 제공하도록 철도차량에 마련되는 회전형 모터구동부와; 상기 철도차량의 하부에 마련되는 계자부와; 상기 레일을 따라서 지상에 마련되어 이동자계를 발생시켜 상기 계자부와의 전자기 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 제공하기 위한 전기자부를 포함하되, 저속 주행 구간에서는 상기 모터구동부의 구동에 의해 철도차량의 추진력이 제공되며, 고속 주행 구간에서는 상기 계자부와 전기자부의 전자기력에 의해 철도차량의 추진력이 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 전기자부는 레일을 따라서 양측으로 대칭되게 경사를 갖도록 마련되며, 상기 계자부는 전기자부와 대응하여 나란하도록 철도차량의 길이 방향으로 양측 하부에 경사를 갖도록 마련되며, 보다 바람직하게는, 상기 계자부는 초전도 전자석에 의해 제공되며, 더욱 바람직하게는, 상기 계자부는 초전도자석이되, 단위 유니트로 모듈화되어 철도차량의 하부에 분산되어 다수 개로 마련되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 초전도자석은, 철도차량의 길이 방향으로 대칭되게 양측 하부에 경사를 갖도록 복수 개로 이루어진 초전도코일과; 상기 초전도코일을 여자시키기 위한 직류 전원을 공급하기 위한 직류전원공급부와; 상기 초전도코일의 초전도 상태를 유지하기 위한 저온냉각부를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 전기자부는 주행구간이 등판 구간 또는 가감속 구간에서 철심형 코일을 포함한다.
본 발명에 따른 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템은, 저속 주행 구간에서는 회전형 모터 추진장치에 의해 휠온레일 방식으로 철도차량의 추진력이 제공되며, 고속 주행 구간에서는 선형 동기모터 추진장치를 이용하여 추진력이 제공됨에 따라서, 기존의 전차선을 방식의 저속 일반 노선에서 운행이 가능하면서 고속 주행이 가능한 효과가 있다.
특히 본 발명에 따른 철도시스템은 철도차량에 탑재될 회전형 모터 추진장치의 부피나 중량을 일반 고속 철도와 비교하여 줄일 수가 있으므로, 초고속 주행 시에 차륜의 마모 문제가 적은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템의 정면 구성을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 철도시스템에 있어서, 계자부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 철도시스템은, 레일(10)을 따라서 휠온레일 방식으로 주행이 이루어지도록 철도차량(30)에 마련되는 회전형 모터구동부(110)와, 철도차량(30)의 고속 주행을 위하여 마련되는 선형 모터 추진장치를 포함한다.
레일(10)을 따라서 전차선(20)이 마련되며, 철도차량(30)은 전차선(20)을 통하여 필요한 전원을 공급받는다.
회전형 모터구동부(110)는 차륜을 구동하여 레일을 따라서 휠온레일 방식으로 철도차량의 추진력을 제공하게 되며, 회전형 모터구동부(110)를 구동하기 위하여 철도차량(30)에는 전차선(20)으로부터 공급된 전원을 감압하기 위한 전압변압기(111)와, 전압변압기에서 감압된 전원을 이용하여 회전형 모터구동부(110)의 구동에 필요한 전압 및 전류를 제어하게 되는 전력변환장치(112)가 마련된다.
회전형 모터구동부(110)는 레일(10)을 따라 회동하는 차륜을 구동하여 철도차량(30)의 추진력을 제공하며, 이러한 회전형 모터구동부(110)는 대략 150㎞/h 이하의 저속 주행 구간에서 철도차량의 추진력을 제공한다.
따라서 철도차량에는 회전형 모터, 전압변압기, 및 전력변환장치를 포함하는 추진장치의 구성품들을 저속 주행에 맞는 용량으로 설계되므로, 철도차량에 탑재될 장치의 부피나 중량을 일반 고속 철도와 비교하여 줄일 수가 있으며, 기존의 철도 레일을 따라서 주행이 가능하다.
철도차량(30)은 대략 150㎞/h 이상의 고속 주행 구간에서의 추진력을 제공하게 되는 선형 모터 추진장치가 설치된다.
이러한 선형 모터 추진장치는 철도차량(30)의 하부에 마련되는 계자부(210)와, 레일(10)을 따라서 지상에 설치되어 이동자계를 발생시켜 계자부(210)와의 전자기 상호작용에 의해 철도차량(30)의 추진력을 제공하기 위한 전기자부(220)로 이루어진 선형 동기모터에 의해 제공될 수 있다.
계자부(210)는 철도차량(30)의 하부에 마련되어 일정한 자계를 발생시키기 위한 것으로, 영구자석 또는 초전도자석에 의해 제공될 수 있으며, 바람직하게는 초전도자석이 사용된다.
특히 계자부(210)는 단위 유니트로 모듈화되어 철도차량의 하부에 분산되어 다수 개로 제공되어 철도차량(30)의 하부에 토오크를 증대시킬 수 있으며, 고장 시에 단위 유니트의 모듈 단위로 교체 또는 수리가 가능하여 유지 및 관리가 용이하다. 또한 계자부가 단위 유니트로 모듈화되어 제공됨으로써 구동 동력이 분산되어 일부 모듈의 고장이 발생하더라도 철도차량의 운행이 가능하다.
전기자부(220)는 레일(10)을 따라서 지상에 마련되어 이동자계를 발생시켜 계자부(210)의 자계와 전자기 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 제공한다.
도 2에 도시된 예시된 것과 같이, 전기자부(220)는 레일(10)을 따라서 양측으로 대칭되게 경사를 갖도록 마련되며, 계자부(210)는 전기자부(220)와 대응하여 나란하도록 철도차량의 길이 방향으로 양측 하부에 경사를 갖도록 마련된다.
한편, 전기자 코일(222)은 레일(10)을 따라서 양측에 시공되는 별도의 구조물(221)에 지지되어 설치될 수 있다.
전기자부(220)는 이동자계를 발생시키는 전기자 코일(222)에 의해 제공되며, 전력변환장치(미도시)가 마련되어 전원 공급이 이루어져 전기자부(220)에서 발생되는 이동자계와 계자부(110)의 자계가 동기되어 철도차량(30)의 추진력이 발생한다.
바람직하게는, 전기자부(220)는 레일의 주행구간이 등판 구간 또는 가감속 구간에서 철심형 코일에 의해 제공된다.
본 발명에서 전기자부(220)는 공심형 코일을 사용하여 전체적인 비용을 절감할 수 있으며, 철도차량의 주행 구간에 따라서는 역사 내의 가감속 구간 또는 등판 구간인 경우에서는 요철형의 전기 코어를 권선 사이에 설치하는 철심형 코일에 의해 제공됨으로써 주행 구간의 특성에 따라서 추진력을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 철도시스템에 있어서, 계자부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 있어서 초전도자석은, 철도차량의 길이 방향으로 대칭되게 양측 하부에 경사를 갖도록 복수 개로 이루어진 초전도코일(211)과; 상기 초전도코일(211)을 여자시키기 위한 직류 전원을 공급하기 위한 직류전원공급부(212)와; 상기 초전도코일(211)의 초전도 상태를 유지하기 위한 저온냉각부(213)를 포함한다.
초전도자석은 하우징(214) 내에 설치되며, 하우징(214)은 초전도코일(211)이 전기자부와 대응하여 나란하도록 적절하게 배치될 수 있도록 양 측부는 일정한 경사를 갖는다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 철도시스템은, 회전형 모터구동부에 의해 휠온레일 방식으로 저속 주행 구간에서 철도차량의 추진력이 제공되며, 고속 주행 구간에서는 선형 모터 추진장치를 이용하여 추진력이 제공될 수 있다.
따라서 철도차량에는 회전형 모터, 전압변압기, 및 전력변환장치를 포함하는 추진장치의 구성품들을 저속 주행에 맞는 용량으로 설계될 수 있으므로, 철도차량에 탑재될 장치의 부피나 중량을 일반 고속 철도와 비교하여 줄일 수가 있으며, 기존의 철도 레일을 따라서 주행이 가능하다.
또한 탑재된 회전형 모터 추진장치의 중량이 고속 철도에 비하여 가볍기 때문에 초고속 주행 시에 차륜의 마모 문제가 적은 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 레일 20 : 전차선
30 : 철도차량 110 : 모터구동부
210 : 계자부 211 : 초전도코일
212 : 직류전원공급부 213 : 저온냉각부
220 : 전기자부

Claims (6)

  1. 레일을 따라서 휠온레일 방식으로 철도차량의 주행이 이루어지는 철도 시스템에 있어서,
    전차선으로부터 전력을 공급받아 차륜을 구동하여 추진력을 제공하도록 철도차량에 마련되는 회전형 모터구동부와;
    상기 철도차량의 하부에 마련되는 계자부와;
    상기 레일을 따라서 지상에 마련되어 이동자계를 발생시켜 상기 계자부와의 전자기 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 제공하기 위한 전기자부를 포함하되,
    상기 전기자부는 레일을 따라서 양측으로 대칭되게 경사를 갖도록 마련되며, 상기 계자부는 전기자부와 대응하여 나란하도록 철도차량의 길이 방향으로 양측 하부에 경사를 갖도록 마련되며,
    저속 주행 구간에서는 상기 모터구동부의 구동에 의해 철도차량의 추진력이 제공되며, 고속 주행 구간에서는 상기 계자부와 전기자부의 전자기력에 의해 철도차량의 추진력이 제공되는 것을 특징으로 하는 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 계자부는 초전도 전자석인 것을 특징으로 하는 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템.
  4. 제3항에 있어서, 계자부는 초전도자석이되, 단위 유니트로 모듈화되어 철도차량의 하부에 분산되어 다수 개로 마련되는 것을 특징으로 하는 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 초전도자석은,
    철도차량의 길이 방향으로 대칭되게 양측 하부에 경사를 갖도록 복수 개로 이루어진 초전도코일과;
    상기 초전도코일을 여자시키기 위한 직류 전원을 공급하기 위한 직류전원공급부와;
    상기 초전도코일의 초전도 상태를 유지하기 위한 저온냉각부를 포함하는 선형 및 회전형 모터 추진 혼용 휠온레일 방식의 철도시스템.
  6. 삭제
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