KR101950477B1 - 진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 장치 및 방법 - Google Patents

진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 도체튜브 내부를 운행하는 튜브 운행 열차 차량에 있어서, 차량의 전두부에 배치된 제 1 전자석, 차량의 후미부에 배치된 제 2 전자석 및 제 1 전자석 및 제 2 전자석에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하되, 전원 공급부는 차량의 제동신호에 응답하여 제 1 전자석과 제 2 전자석에 전류를 공급하여 차량의 전두부를 제 1 극성으로 자화시키고, 차량의 후미부를 제 2 극성으로 자회시키는 것인 튜브 운행 열차 차량인 것이다.

Description

진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 장치 및 방법 {BRAKE APPARATUS AND METHODS FOR TRAIN VHICLE RUNNING IN VACUUM TUBE}
본 발명은 하이퍼 튜브 또는 하이퍼 루프로 알려진 진공 튜브를 운행하는 열차 차량에 대한 것이다.
최근 튜브 안을 진공에 가까운 상태로 만들어 공기저항을 최소화함으로써 속도를 크게 향상시킬 수 있는 초고속 진공 열차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 초고속 진공 열차를 구현하기 위해서 크고 긴 진공 터널(튜브)이 제공되고, 그 내부를 자기부상열차가 주행하도록 하여 최고속도 1200km/h의 속력으로 주행하는 것을 목표로 개발되고 있다.
이때, 차량은 비접촉상태로 튜브 내부를 주행하게 되는데 그 속도가 매우 빨라 이를 효과적으로 제동할 수 있는 방법의 마련이 필요하다.
현재까지 연구되고 있는 방법으로는 차량의 면적이나 압축기의 속도를 조절하여 공기의 저항, 선형전동기 모터를 통한 발전저항, 또는 자기력 부상을 위해 차량에 부착되어 있는 자석(영구자석, 전자석 등)이나 추가적인 자석을 이용하여 도체 아진공 튜브와 반응하여 제동을 하는 방식이 알려져 있다.
하지만 이러한 방법들은 제동을 위한 자석과 반응하는 도체 아진공 튜브의 국소 면적에 제동력이 발생하게 되며, 이러한 제동력을 튜브가 견디기 위해서는 1) 튜브의 강성 및 2) 두께가 필수적으로 증가되어야 하며, 이는 튜브 인프라 제작비용을 불필요하게 급격히 증가시키는 문제가 있다.
따라서 이러한 문제를 해결 하기 위하여, 도체 튜브 전체에 제동력을 골고루 분산시켜 제동 할 수 있는 새로운 개념의 제동 시스템을 제안한다.
이와 관련하여 한국등록특허 10-1130807호(발명의 명칭: 튜브 철도 시스템의 진공 분할 관리 시스템 및 진공 차단막 장치)는 밀폐된 진공 상태의 튜브를 철도 선로로 이용하여, 소음과 공기 저항을 최소화시켜 열차를 초고속으로 달릴 수 있도록 하는 튜브 철도 시스템에 관하여 개시하고 있다.
본 발명의 일부 실시예는 진공 튜브를 운행하는 열차 차량에 제동력을 효과적으로 제공할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 도체튜브 내부를 운행하는 튜브 운행 열차 차량에 있어서, 차량의 전두부에 배치된 제 1 전자석, 차량의 후미부에 배치된 제 2 전자석 및 제 1 전자석 및 제 2 전자석에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하되, 전원 공급부는 차량의 제동신호에 응답하여 제 1 전자석과 제 2 전자석에 전류를 공급하여 차량의 전두부를 제 1 극성으로 자화시키고, 차량의 후미부를 제 2 극성으로 자화시키는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도체튜브 내부를 운행하는 튜브 운행 열차 차량의 제동 방법, (a) 모션센서와 자기장 센서를 통해 차량의 속도 및 자기장 정보를 운행 제어부가 수신하는 단계; (b) 운행 제어부가 수신한 차량의 속도 및 자기장 정보를 바탕으로 제 1 전자석과 제 2 전자석에 흐르는 전류를 전원 공급부를 통해 조절하는 단계; (c) 제 1 전자석과 제 2 전자석은 상기 전원 공급부를 통해 제공받는 전류를 통해 전두부를 제 1극성으로 자화시키고, 후미부를 제 2 극성으로 자화하는 단계; 및 (d) 차량이 제동력을 얻고 감속을 시작하여 정지하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 튜브 운행 열차 차량은 비교적 단순한 구조를 통해 열차 차량에 대하여 효율적으로 제동력을 제공할 수 있다는 점에서 차량 운행의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 비접촉 고속 운행 차량에 대하여 상대적으로 저렴한 비용으로 강한 제동력을 제공할 수 있는 효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량에 배치되는 전자석과 이를 제어하는 장치들을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량 내부에 배치되는 전자석의 형태에 대한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 튜브를 운행하는 열차 차량의 제동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 운행 열차 차량(200)을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 튜브 운행 열차 차량(200)은 진공 상태로 유지되는 튜브 인프라(10) 내부를 운행한다.
튜브 인프라(10)는 터널 형상을 가지며, 자기 부상 열차의 운행을 위하여 튜브 전체 또는 일부가 도체로 이루어진다. 튜브 인프라(10)는 소정 단위 길이를 갖는 튜브 모듈이 직렬 접속되어 구성되는 것으로, 이때 각각의 튜브 모듈이 도체로 이루어져 있거나, 튜브 모듈 중 열차의 주행방향으로 연장 형성되는 일부의 영역이 도체로 이루어져 있다. 따라서, 튜브 운행 열차 차량(200)은 전체가 도체로 되어 있는 튜브 내부를 주행하거나, 주기적으로 도체 부분을 통과하는 형태로 튜브 내부를 주행한다.
튜브 운행 열차 차량(200)은 소정의 길이를 갖도록 연장 형성된 차체의 전두부에 배치된 제 1 전자석(210), 차체의 후두부에 배치된 제 2 전자석(220) 및 제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220)에 전원을 공급하는 전원 공급부(230)를 포함한다. 또한, 튜브 운행 열차 차량(200)의 운행과 관련한 각종 제어 신호를 관리하며, 특히 차량의 제동 신호를 생성하여 전원 공급부(230)로 전송하는 운행 제어부(240)를 포함한다.
제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220)은 각각 차량의 주행 방향과 수직한 방향을 따라 권선된 코일일 수 있다. 전자석의 원리에 의하여 전원 공급부(230)에서 공급되는 전류가 코일로 제공되면, 열차의 주행방향과 나란한 방향의 자기장이 형성된다. 이때, 제1 전자석(210)에 의하여 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성되고, 제 2 전자석(220)에 의하여 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 튜브 운행 열차 차량(200)의 전두부는 N극, 후미부는 S극의 형태로 자기장이 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 운행 열차 차량(200) 내부에 배치되는 전자석의 형태를 도시한 예시도이다.
차량이 특별한 형상을 가지거나, 길이가 길어지게 되는 경우, 전두부와 후미부에 배치되는 제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220)만으로 차량의 전체에 자기장을 형성하기 어려울 수 있다. 따라서 제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220)의 사이에는 추가적인 제 3 전자석(250)이 하나 이상이 존재할 수 있으나, 제 3 전자석(250)의 개수가 본 발명에 한정되지는 않는다.
제 3 전자석(250)은 제 1 전자석(210)이나 제 2 전자석(220)과 마찬가지로 차량의 주행 방향과 수직한 방향으로 권선 된 코일일 수 있다. 전자석의 원리에 의하여 전원 공급부(230)에서 공급되는 전류가 코일로 제공되면, 차량의 주행방향과 나란한 방향으로 자기장이 형성된다. 이때, 제 3 전자석(250)의 전면으로 N극, 후면에는 S극 형태의 자기장이 형성될 수 있다.
전자석은 배치되는 위치나 차량의 형태에 따라서 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 기본적으로 전자석은 하나의 전도성 코일(410)로 구성되는 원 코일 타입(One Coil Type, 510)과 다수의 전도성 코일(410)로 구성된 멀티플 코일 타입(Multiple coil Type, 520)으로 구성될 수 있다. 차량의 전두부나 후미부는에는 원 코일 타입(510)의 전자석이나 멀티플 코일 타입(520)의 전자석이 선택적으로 배치될 수 있다. 하지만, 전자석의 형태와 배치되는 위치가 본 발명에 한정되지는 않는다.
도 3 내지 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 운행 열차 차량(200)의 제동원리를 설명하기 위한 예시도이다.
먼저 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 운행 열차 차량(200)이 제동력을 가지기 위해 사용되는 물리법칙인 패러데이의 법칙(Faraday's law)과 렌츠의 법칙(Lenz's law)을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3에서는 영구자석(420)이 속력을 가지고 이동하거나, 시간의 변화에 따라 변하는 자기장을 보유하는 경우 상기 영구자석(420)을 코일(430)의 내부로 통과시키면 유도기전력이 발생하게 되고 코일(430)의 임피던스 값에 의해 코일(430)에 흐르는 전류 값이 결정되는 패러데이의 법칙을 예시적으로 나타내고 있다.
도 4에서는 영구자석(420)이 코일(430)의 내부를 통과하는 경우를 예시로 나타낸 것으로, 서로 인접하게 된 영구자석(420)의 전두부와 코일(430)의 사이에는 동일한 극성을 가지게 되며, 영구자석(420)이 코일(430)의 내부를 통과하여 멀어지게 된다면, 영구자석(420)의 후미부와 코일(430)의 사이에는 서로 다른 극성을 가지게 되는 렌츠의 법칙을 예시적으로 나타내고 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 위에서 설명한 물리법칙인 패러데이의 법칙과 렌츠의 법칙을 이용한 차량의 제동원리를 설명한 것이다.
먼저, 도 5를 살펴보면, 차량에 장착 된 제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220)에 전류를 공급하게 되면, 차량의 전두부에는 제 1 전자석(210)을 통해 차량의 주행하는 방향으로 N극이, 후두부에는 제 2 전자석(220) 을 통해 열차가 주행하는 방향과 반대되는 방향으로 S극의 자기장이 형성되게 된다. 또한, 제 1 전자석(210)과 제 2 전자석(220) 사이에 장착될 수 있는 제 3 의 전자석도 상기 제 3 의 전자석을 기준으로 전면부에는 차량의 주행 방향과 동일한 방향으로 N극이, 후면부에는 차량의 주행 방향과 반대 방향으로 S극의 자기장이 발생하게 된다. 이 작업을 통해 차량은 하나의 영구자석(420)과 같은 성격을 가지게 된다.
튜브의 특정 지점(440)에 영구자석(420)과 동일한 성격을 지니게 된 차량이 접근하게 된다면, 렌츠의 법칙에 따라 차량의 전두부와 튜브의 특정 지점(440) 사이에는 동일한 N극을 가지게 됨으로 척력이 작용하게 되고, 튜브의 특정 지점(440)을 통과한 차량의 후미부 사이에는 서로 다른 극성을 가지게 되어 인력이 작용하게 되어 차량이 제동력을 가지게 된다.
여기서, 튜브의 특정 지점(440)의 수가 많아지고, 특정 지점(440)들 간 간격이 소정의 간격 이하로 가까워지게 되면, 특정 지점(440)들은 마치 도체의 특성을 갖는 튜브의 역할을 수행할 수 있게 되고, 이는 도 6의 도체 튜브(20)로 나타내어 질 수 있다.
실제 차량은 위와 같은 원리로 구성된 도체 튜브(20)의 내부를 이동하게 되며 차량의 제동력은 차량에서 발생하는 자기장의 세기와 도체튜브(20)로 유도된 자기장의 세기에 비례하여 결정되는데, 도체튜브(20)에서 유도되는 자기장은 패러데이의 법칙에 의해 차량의 운행속도, 도체튜브(20)에서 운행방향으로의 자기장의 세기, 도체튜브(20)의 재질과 형상에 의해 결정되는 임피던스 값과 같은 3개의 매개변수에 의해 결정되게 된다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실제로 제어가 가능한 매개변수는 도체튜브(20)에서 운행방향으로의 자기장의 세기이며, 이는 차량의 전원 공급부(230)를 사용하여 전자석으로 공급되는 전류를 조절함으로써 변경이 가능하다.
따라서 차량의 전원 공급부(230)를 통해 전자석으로 공급되는 전류를 조절함으로써 차량의 제동력을 제어할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 튜브 인프라 200: 튜브 운행 열차 차량
210: 제 1 전자석 220: 제 2 전자석
230: 전원 공급부 230: 운행 제어부
410: 전도성 코일 420: 영구자석

Claims (8)

  1. 도체튜브 내부를 운행하는 튜브 운행 열차 차량에 있어서,
    차량의 전두부에 배치된 제 1 전자석,
    차량의 후미부에 배치된 제 2 전자석 및
    상기 제 1 전자석 및 제 2 전자석에 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함하되,
    상기 제 1 전자석과 제 2 전자석은 각각 차량의 주행방향과 수직한 방향을 따라 권선된 코일을 포함하며,
    상기 제 1 전자석에 의하여 상기 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성되고,
    상기 제 2 전자석에 의하여 상기 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성되며,
    상기 전원 공급부는 차량의 제동신호에 응답하여 상기 제 1 전자석과 제 2 전자석에 전류를 공급하여 상기 차량의 전두부를 제 1 극성으로 자화시키고, 차량의 후미부를 제 2 극성으로 자화시킴에 따라, 상기 도체튜브의 특정 지점이 상기 제 1 전자석과 동일한 극성을 가지게 되고, 상기 도체튜브의 특정 지점과 상기 차량의 전두부 사이에서 척력이 작용하게 되며, 상기 도체튜브의 특정 지점과 상기 차량의 후미부 사이에서 인력이 작용하게 되어, 상기 차량이 제동력을 가지는 것인 튜브 운행 열차 차량.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전자석과 제 2 전자석을 구성하는 코일은 하나 이상이 될 수 있는 튜브 운행 열차 차량.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는 운행 제어부에서 수신한 전원 제어정보에 따라 상기 제 1 전자석과 제 2 전자석에 공급되는 전원의 값을 실시간으로 조절하는 것인 튜브 운행 열차 차량.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 운행 제어부는 상기 차량에 배치된 모션 센서와 자기장 센서로부터 상기 차량의 속도 및 자기장 형성 정보를 수신하는 튜브 운행 열차 차량.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량의 제 1 전자석과 제 2 전자석 사이에 배치되는 하나 이상의 제 3 전자석을 더 포함하는, 튜브 운행 열차 차량.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 전자석은 상기 전원 공급부를 통해 전원을 공급받고 제 3 극성으로 자화될 수 있는 튜브 운행 열차 차량.
  8. 도체튜브 내부를 운행하는 튜브 운행 열차 차량의 제동 방법에 있어서,
    (a) 모션 센서와 자기장 센서를 통해 차량의 속도 및 자기장 정보를 운행 제어부가 수신하는 단계;
    (b) 상기 운행 제어부가 수신한 차량의 속도 및 자기장 정보를 바탕으로 제 1 전자석과 제 2 전자석에 흐르는 전류를 전원 공급부를 통해 조절하는 단계; 및
    (c) 상기 제 1 전자석과 제 2 전자석은 상기 전원 공급부를 통해 제공받는 전류를 통해 전두부를 제 1 극성으로 자화 시키고, 후미부를 제 2극성으로 자화 하는 단계;를 포함하고
    상기 제 1 전자석과 제 2 전자석은 각각 차량의 주행방향과 수직한 방향을 따라 권선된 코일을 포함하며,
    상기 제 1 전자석에 의하여 상기 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성되고,
    상기 제 2 전자석에 의하여 상기 차량의 주행방향으로 진행하는 자기장이 형성되며,
    상기 제 1 전자석과 제 2 전자석이 자화됨에 따라, 상기 도체튜브의 특정 지점이 상기 제1 전자석과 동일한 극성을 가지게 되고, 상기 도체튜브의 특정 지점과 상기 차량의 전두부 사이에서 척력이 작용하게 되며, 상기 도체튜브의 특정 지점과 상기 차량의 후미부 사이에서 인력이 작용하게 되어, 상기 차량과 상기 도체튜브 사이에 제동력이 발생하는 것인 튜브 운행 열차 차량의 제동 방법.
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