KR101405117B1 - 철도용 대용량 집전장치의 협폭 코어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 장치는, 중앙에 소정 깊이의 홈이 형성되고, 상기 홈의 양측 상단부에 동일한 폭을 갖는 판형 구조의 코일 권선부; 및 상기 코일 권선부의 양 끝 하단부에 상기 코일 권선부의 내측 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 내측 날개부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 철도 차량의 하부에 설치되는 대용량 집전장치의 코어의 폭을 감소시킴으로써, 집전장치의 코어의 폭 감소로 인하여 집전장치를 차량의 하부에 설치시 따르는 제약을 줄일 수 있으며, 이러한 집전장치의 코어를 좌우 편차가 없는 철도 차량에 적용하여 집전장치의 출력을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

철도용 대용량 집전장치의 협폭 코어 장치{LARGE CAPACITY PICK-UP NARROW CORE FOR RAILWAY VEHICLE}

본 발명은 철도용 대용량 집전장치의 협폭 코어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철도 차량의 하부에 설치되는 대용량 집전장치의 코어의 폭을 감소시키고 철로의 내측에 매설된 급전장치로부터 자기유도작용에 의해 전달되는 자속을 전달받아 이에 의해 유기되는 출력 전압을 유지하는 철도용 대용량 집전장치의 협폭 코어 장치에 관한 것이다.

기존의 전기자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 배터리를 충전하기 위해

서는 차량 외부로 연결된 플러그를 이용하여 일정시간 동안 전기 망에 연결하여 기다려야 하는 결점이 있다. 그리고, 현재 개발된 배터리의 기술로는 1회의 충전만으로는 차량이 주행할 수 있는 거리가 제한적이고 충전 시간이 오래 걸린다.

또한, 급속충전기를 사용하여 배터리를 충전하더라도 통상 1시간 이상, 최신의 첨단기술로도 10분 이상이 소요된다. 따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 배터리의 용량을 늘리고 충전 시스템의 효율을 높이는 기술이 개발되었지만 무거운 배터리를 사용함으로써 차량의 중량 및 부피가 증가하게 되어 차량의 성능을 감소시킬 뿐만 아니라 차량의 생산가격을 상승시키며 급속 충전으로 배터리의 충전 시간을 단축시키는 대신 배터리의 수명이 짧아지는 문제가 있다.

따라서, 기존의 배터리 전기자동차의 가장 큰 문제점인 과도한 배터리 용량과 이로 인한 차량 무게 및 부피, 비용의 증가, 긴 충전시간 또는 대용량 충전시설과 낮은 충전효율, 배터리 수명단축 등의 문제를 해결하기 위해 자기유도를 이용한 비접촉식 급전 시스템이 개발되고 있다.

상기 비접촉 급전 시스템은 공극을 두고 집전장치와 대향하는 급전장치로부터 집전장치에 전자기 유도를 이용하여 비접촉으로 전력을 충전하는 것으로 이러한 비접촉 급전 시스템은 미리 정해진 주행로에 급전장치가 설치되고 상기 급전장치의 상방으로 통행하는 차량의 밑바닥에 집전장치가 설치되어 주행로를 통행하는 차량의 급전장치에서 전력을 전달하여 차량이 주행할 수 있는 전력을 전달함과 동시에 차량의 주행에 사용되지 않는 잉여 전력을 집전장치를 통해 배터리에 충전하게 된다. 이와 같은 비접촉 급전 시스템은 일반 차량 및 철도 차량에 적용될 수 있으며, 이러한 비접촉 급전 시스템을 갖는 차량이 급전장치가 설치된 주행로를 벗어나 운행하게 되는 경우 차량에 설치된 배터리에 충전된 전력을 사용하여 운행하게 된다. 하기에서는 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 종래에 차량에 설치된 집전장치의 코어 구조에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 집전장치의 코어 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 집전장치의 코어의 정면도이다.

도시된 바와 같이, 차량에 적용되던 기존의 코어 구조는 차량의 이동으로 인하여 좌우 편차 있을시 생기는 출력 감소를 최소화하기 위해 양 옆으로 자속(magnetic flux)을 받아들일 수 있는 날개(1) 구조를 갖고 있다. 또한, 코일 권선부(2)는 코일이 권선되는 부분으로 이 부분을 좁히면 권선할 수 있는 코일 턴 수도 감소하여 출력이 감소하게 된다. 또한, 자속 수신부(3)는 자속을 받아들이는 부분으로 이 부분의 면적의 증가와 감소에 따라 집전장치의 출력 또한 증가하거나 감소하게 된다.

도 3은 종래의 집전장치의 시뮬레이션을 위한 모델을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 시뮬레이션 모델에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 급전코어(10)에 급전선(20)이 배치된 급전장치와 집전코어(30)에 집전코일(40)이 감겨진 집전장치에서, 집전장치의 시뮬레이션 조건은 공진 주파수 20 ㎑, 급전 전류 715 A-turn, 급전코어(10)와 집전코어(30) 사이의 코어간 거리 90 ㎜, 급전코어(10)의 급전 폭 480 ㎜, 집전코어(30)의 집전 폭 1,100 ㎜ 이다. 이러한 집전장치의 시뮬레이션 조건에서의 시뮬레이션 결과를 살펴보면 도 4에서와 같이 출력 전압이 AC 3.8 ㎸ peak 값을 갖는다.

그러나, 이러한 종래의 집전장치의 코어는 날개(1) 부분이 코일 권선부(2)의 외부 방향으로 돌출되어 있어 집전장치의 코어의 폭으로 인하여 차량의 하부에 설치시 제약이 따르는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 차량의 하부에 설치되는 집전장치의 코어의 폭을 감소시킴으로써, 집전장치를 차량의 하부에 설치시 따르는 제약을 줄이고 집전장치의 출력을 유지할 수 있도록 한 철도용 대용량 집전장치의 협폭 코어 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 장치의 일 측면에 따르면, 중앙에 소정 깊이의 홈이 형성되고, 상기 홈의 양측 상단부에 동일한 폭을 갖는 판형 구조의 코일 권선부; 및 상기 코일 권선부의 양 끝 하단부에 상기 코일 권선부의 내측 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 내측 날개부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 철도 차량의 하부에 설치되는 대용량 집전장치의 코어의 폭을 감소시킴으로써, 집전장치의 코어의 폭 감소로 인하여 집전장치를 차량의 하부에 설치시 따르는 제약을 줄일 수 있으며, 이러한 집전장치의 코어를 좌우 편차가 없는 철도 차량에 적용하여 집전장치의 출력을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 집전장치의 코어 구조를 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 집전장치의 코어의 정면도.
도 3은 종래의 집전장치의 시뮬레이션을 위한 모델을 나타내는 도면.
도 4는 도 3의 시뮬레이션 모델에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 구조를 나타내는 도면.
도 6은 도 5의 집전장치의 협폭 집전코어의 정면도.
도 7은 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션 모델을 나타내는 도면.
도 8은 도 7의 시뮬레이션 모델에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션에서 자기장 분포를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션에서 자속의 흐름을 나타내는 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 구조를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 집전장치의 협폭 집전코어의 정면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어는 중앙에 소정 깊이의 "ㄷ" 자 형상을 갖는 홈(50)이 형성되고, 홈(50)의 양측 상단부에 동일한 폭을 갖는 판형 구조의 코일 권선부(60)와, 코일 권선부(60)의 양 끝 하단부에 코일 권선부(60)의 내측 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 내측 날개부(70)를 포함한다. 코일 권선부(60)는 코일이 권선되는 부분으로서 그 면적을 유지하여 코일 권선 공간을 확보한다. 홈(50)의 바닥면과 내측 날개부(70)는 철로의 내측에 매설된 급전장치로부터 자기유도작용에 의해 전달되는 자속을 전달받아 이에 의해 유기되는 출력 전압을 유지한다.

전술한 본 발명의 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 구조는 도 1 및 도 2에서 전술한 종래의 집전장치의 코어 구조에서, 차량의 이동으로 인하여 좌우 편차가 있을시 생기는 출력 감소 최소화를 위해 있던 날개부(70)를 접어 집전장치의 코어의 폭을 1,100 ㎜ 에서 725 ㎜ 로 축소하였다. 철도 차량은 레일 위를 주행하므로 좌우 편차가 없다.

도 7은 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션 모델을 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7의 시뮬레이션 모델에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어(100)는 철도 차량이 주행하는 철로의 내측에 매설된 급전장치로부터 자기유도작용에 의해 전달되는 자속을 전달받음으로써 집전장치는 이에 의해 유기되는 출력 전압을 유지한다.

급전장치는 급전코어(80)에 급전선(90)이 배치되고, 집전장치는 집전코어(100)에 집전코일(110)이 감겨진다. 이러한 집전장치의 시뮬레이션 모델에서, 집전장치의 시뮬레이션 조건은 공진 주파수 20 ㎑, 급전 전류 715 A-turn, 급전코어(80)와 집전코어(100) 사이의 코어간 거리 90 ㎜, 급전코어(80)의 급전 폭 480 ㎜, 집전코어(100)의 집전 폭 725 ㎜ 이다. 이러한 집전장치의 시뮬레이션 조건에서의 시뮬레이션 결과를 살펴보면 도 8에서와 같이 출력 전압이 AC 3.8 ㎸ peak 값으로서 전술한 종래의 집전장치에서의 출력 전압과 동일한 값을 갖는다.

도 9는 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션에서 자기장 분포를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션에서 자속의 흐름을 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 집전장치의 시뮬레이션에서 집전코어(100)의 자속 밀도 범위(magnetic flux density range)는 10 ~ 50 mT 이다. 본 발명의 집전장치의 협폭 코어 구조에 사용된 코어 재료인 페라이트 PL-13의 포화 밀도(saturation density)는 520 mT 이다. 이에 자속의 포화 현상으로 인한 손실 없이 전력이 전송되고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 10에서와 같이 본 발명의 집전코어(100)의 구조에서, 코일 권선부(60)의 양 끝 하단부에 코일 권선부(60)의 내측 방향으로 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 내측 날개부(70)의 구조로 인한 자속의 흐름 역시 변화가 없음을 알 수 있다.

결론적으로, 도로 차량에 비해 좌우 편차가 거의 없는 철도 차량에 적용이 용이한 본 발명의 대용량 집전장치의 협폭 집전코어는 종래의 1,100 ㎜의 폭을 갖던 집전코어를 725 ㎜ 로 줄이면서 출력 유지가 가능하고, 집전코어의 폭 감소로 인한 차량 하부 설치 제약이 감소된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

50 : 홈 60 : 코일 권선부
70 : 내측 날개부 80 : 급전코어
90 : 급전선 100: 집전코어
110 : 집전코일

Claims (3)

1. 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 장치로서,
   중앙에 "ㄷ" 자의 개구부가 위쪽 방향을 향하는 구조로 소정 깊이의 홈이 형성되고, 상기 홈의 양측 상단부에는 각각 동일한 폭으로 연장되면서 연장되는 각각의 끝단부는 아래 방향으로 직각으로 절곡되어 상기 홈의 바닥면까지의 깊이만큼 돌출되는 판형 구조의 코일 권선부; 및
   상기 코일 권선부의 양 끝 하단부에 상기 홈의 양 측면부 방향으로 각각 소정 길이만큼 돌출되어 형성되는 내측 날개부를 포함하는 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치는 상기 홈의 바닥면과 상기 내측 날개부를 통해서 철로의 내측에 매설된 급전장치로부터 자기유도작용에 의해 전달되는 자속을 전달받아 이에 의해 유기되는 출력 전압을 유지하는
   것을 특징으로 하는 철도 차량에 설치되는 대용량 집전장치의 협폭 집전코어 장치.

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