KR102289248B1

KR102289248B1 - 아음속 캡슐트레인용 비상제동장치

Info

Publication number: KR102289248B1
Application number: KR1020200042158A
Authority: KR
Inventors: 임정열; 최수용; 최재헌; 이창영; 이관섭
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-08-12

Abstract

본 발명은 아음속 캡슐트레인에 있어서, 캡슐트레인의 양 측면에 대향하는 튜브 내측면 양측에 캡슐트레인의 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 부상코일; 부상코일에 대응되도록 부상코일과 소정 간극만큼 이격되어 캡슐트레인에 배열되되, 한 쌍의 소정 간격으로 이격된 N극 자석과 S극 자석이 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 차상 자석(on-board magnets)을 포함하여 널 플럭스(null flux)방식의 부상장치로서 구성되되, 적어도 일부의 한 쌍의 차상 자석은 가변 차상 자석이고, 가변 차상 자석은 2x2 매트릭스 형태로 배치되되 진행방향 및 상하방향으로 인접한 자석은 서로 다른 자기 극성을 가지도록 배치되고, 진행방향으로 제1공극만큼 이격되고, 상하방향으로 제2공극만큼 이격되며, 부상코일에서 유도기전력(induced electromotive force)이 발생하도록 제1공극 및 제2공극은 가변되도록 형성되어, 제1공극을 가변시킴으로써 제동력을 제공하고, 제2공극을 가변시킴으로써 부상력을 제공하도록 형성되는 비상제동장치에 관한 것이다.

Description

아음속 캡슐트레인용 비상제동장치{Emergency Braking System in Subsonic Capsule Train}

본 발명은 아음속 캡슐트레인용 비상제동장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 초고속 자기부상열차 시스템에 적용된 널 플럭스 부상장치에서의 전자기 비상제동장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

초고속 자기부상열차는 지진, 아진공 튜브(sub-atmospheric pressure tube)의 이상 등 여러가지 위험요인에 의해서 비상제동이 필요한 상황이 발생한다. 그러나 이와 관련한 비상제동기술은 충분히 안전한 수준으로 개발되지 못하고 있는 실정이다.

초고속 자기부상열차의 경우, 측벽 널 플럭스(null flux) 방식을 이용한 부상장치가 주로 이용되고 있다(특허문헌 0001 참조). 이러한 부상장치는 차량의 측면에 해당하는 궤도 부분에 배치되는 유도코일 및 추진코일, 차상에 배치되는 자석으로 구성된다. 이러한 부상장치는 유도반발식 부상장치 또는 전기역학 현가장치(EDS: Electrodynamic Suspension)라고도 지칭한다.

도 1은 일반적인 널 플럭스 부상장치의 기본 구조를 나타낸다.

도 2는 일반적인 널 플럭스 부상장치의 기본 동작원리를 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 자기부상열차는 차량의 측면에 해당되는 궤도 부분에 추진/부상/안내력을 발생시키기 위한 지상 유도코일 및 추진코일이 설치된다(비특허문헌 0001 참조). 부상/안내력을 발생시키는 지상 유도코일(10)은 8자 모양의 널 플럭스 코일(100)이 설치되어 있다. 궤도의 양측의 지상 유도코일(10)은 널 플럭스 케이블(null flux cable, 110)로 연결이 되어 안내력을 최대화하도록 구성되어 있다. 차량이 진행하면서 궤도에서의 자속 밀도가 변화하여 지상 유도코일(10)에 전류가 유도되면서 차상에 배치되는 자석에 반발력을 발생시키는 원리이다.

차량이 좌·우 어느 쪽으로 기울면 차량의 자석은 가까워진 쪽의 추진 안내용 지상 유도코일(10)과는 반발하고, 멀어진 쪽의 지상 유도코일(10)과는 서로 당기기 때문에 언제나 궤도의 중앙으로 차량이 유도된다. 또한, 차량의 처짐이 발생할 경우, 자속의 변화에 의해 발생하는 유도전류는 8자 코일이 교차하는 중앙점(120)에서 0이 되게 되어 차량이 중앙점에 위치하도록 전자기력이 작용한다. 즉, 자기부상열차가 중력에 의해 지상 유도코일(10)의 수직방향 중심보다 아래에 위치하게 되면 부상력을 얻는다.

즉, 널 플럭스 방식은 두 개의 코일에서 발생하는 자기장 변화량의 차이만큼 전류를 유도하여 차량을 수직방향으로 부상하고 좌우방향으로 안내하는 방식으로서, 차량의 변위에 비례한 부상 및 안내력을 발생하여 주행 저항력을 크게 감소하는 동시에 주행 안정성을 향상할 수 있다.

이와 같이 동일한 극 사이의 반발력에 의해 자가 정렬되는 EDS방식인 널 플럭스 부상방식은 인력을 이용하는 EMS(Electromagnetic Suspension)방식보다 안정성이 높아 초고속 자기부상열차에 적용되기에 유리하다. EMS방식의 경우 전자석의 계자 전류는 피드백 제어를 통해 실시간 조정되고, 현가 장치의 힘을 변화시켜 현가 장치와 차체 사이의 동적 균형을 유지하고 부상 공극(air gap)을 일정하게 유지하면서 정지되도록 항시 제어되어야 하므로, 제어와 구성이 상대적으로 까다롭다. 한편, 널 플럭스 부상방식은 EMS방식에 비해서 분기가 쉬운 편이라 장거리 고속 주행에 더 유리하다. 반면, 널 플럭스 부상방식은 제동 시 와전류 제동 성능이 낮은 단점이 있다.

한편, 널 플럭스 방식에서 차상 자석(200)은 추진 및 부상에 필요한 핵심부품이지만 반대로 차상자석(200)에 이상이 발생할 경우 추진 및 부상 동작에 이상(즉, 오동작)이 발생할 수 있는 위험이 있으며, 이로 인한 부상 실패는 차량이 바닥과 충돌하는 등 안전사고를 유발할 수 있다.

아진공 튜브 내를 아음속(1,000~1,200 km/h)으로 주행하는 하이퍼루프(hyperloop) 또는 하이퍼튜브(Hyper Tube eXpress, HTX) 방식의 초고속 자기부상열차는 주행 중 공기저항이 낮아 공기저항을 이용한 제동방식의 적용이 곤란하고, 널 플럭스 부상방식인 경우 와전류 방식 전자기제동력도 낮기 때문에, 별도의 비상제동 수단이 필요한 상황이라고 할 수 있다.

US5,275,112 (1994.1.4)

Uno M., 2016, "Chuo Shinkansen Project using Superconducting Maglev System", Japan Railway & Transport Review, Vol. 68, pp. 14~25.

본 발명의 실시예들은 아진공 튜브 내를 주행하는 초고속 자기부상열차에 있어서 보다 높은 제동력을 제공하도록 신규한 배치 방식의 차상 자석을 포함하는 널 플럭스 비상제동장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 아음속 캡슐트레인에 있어서 비상제동장치는, 캡슐트레인의 양 측면에 대향하는 튜브 내측면 양측에 캡슐트레인의 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 부상코일; 부상코일에 대응되도록 부상코일과 소정 간극만큼 이격되어 캡슐트레인에 배열되되, 한 쌍의 소정 간격으로 이격된 N극 자석과 S극 자석이 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 차상 자석(on-board magnets)을 포함하여 널 플럭스(null flux)방식의 부상장치로서 구성되되, 적어도 일부의 한 쌍의 차상 자석은 N극 자석과 S극 자석의 간극인 제1공극이 가변되도록 형성되는 가변 차상 자석으로 구성됨으로써 캡슐트레인에 제동력을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 가변 차상 자석은 제1공극을 증가시키면 캡슐트레인의 제동력이 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 차상 자석의 배열 간격 및 자석 각각의 공극은 제1공극의 가변 범위를 고려하여 선정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 차상 자석은 초전도전자석, 영구자석 또는 상전도전자석 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 아음속 캡슐트레인에 있어서 비상제동장치는, 캡슐트레인의 양 측면에 대향하는 튜브 내측면 양측에 캡슐트레인의 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 부상코일; 부상코일에 대응되도록 부상코일과 소정 간극만큼 이격되어 캡슐트레인에 배열되되, 한 쌍의 소정 간격으로 이격된 N극 자석과 S극 자석이 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 차상 자석(on-board magnets)을 포함하여 널 플럭스(null flux)방식의 부상장치로서 구성되되, 적어도 일부의 한 쌍의 차상 자석은 가변 차상 자석이고, 가변 차상 자석은 2x2 매트릭스 형태로 배치되되 진행방향 및 상하방향으로 인접한 자석은 서로 다른 자기 극성을 가지도록 배치되고, 진행방향으로 제1공극만큼 이격되고, 상하방향으로 제2공극만큼 이격되며, 부상코일에서 유도기전력(induced electromotive force)이 발생하도록 제1공극 및 제2공극은 가변되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1공극을 가변시킴으로써 캡슐트레인에 제동력을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2공극을 가변시킴으로써 캡슐트레인에 부상력을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1공극과 제2공극은 동시에 가변됨으로써 캡슐트레인이 제동될 때 동시에 부상력을 제어하여 캡슐트레인의 자세가 제어되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존 추진부상용 차상 자석과 별도로 비상제동용 차상 자석을 추가 배치하여 위아래 부상코일의 자기장 변화량 합만큼의 과전류를 유도할 수 있으며, 이를 이용하여 열차 운행 중 비상 제동 필요 상황 시 안정적인 제동이 가능한 효과가 있다.

또한, 차상 자석이 중앙위치일 경우에도 과전류 유도 및 큰 작용력을 발생시키며, 큰 유도전류로 높은 제동력과 안내력이 발생하며, 상하방향 상대적인 위치에 따라 수직방향 힘도 발생하여, 종래 기술보다 안정적인 제동 제어가 가능하며, 차상 자석의 크기를 통해 발생 부상력의 제어가 가능한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 널 플럭스 부상장치의 기본 구조를 나타낸다.
도 2는 일반적인 널 플럭스 부상장치의 기본 동작원리를 나타낸다.
도 3은 종래의 측벽 널 플럭스 부상장치를 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치를 나타내는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치의 제동 상태를 나타내는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치의 부상력 제어 상태를 나타내는 측면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 3은 종래의 측벽 널 플럭스 부상장치를 나타내는 측면도이다.

도 3은 종래의 측벽 널 플럭스 부상장치(30)의 좌우 측벽 중 한쪽 측벽에 설치되는 널 플럭스 구성을 도시한다. 지상 유도코일(100)은 8자 모양으로 권취되고, 상하는 서로 다른 방향으로 권취된다. 각각의 코일은 유도기전력(induced electromotive force)에 의한 자기장을 생성하는 역할을 하며, 구리 또는 알루미늄 재질일 수 있고, 몰드 형태 또는 케이블 형태로 제작될 수 있다. 초고속 자기부상열차에 있어서, 코일에 유도되는 주파수가 높아질수록 일반적으로 와전류 및 이에 따른 표피 효과가 커질 수 있으므로, 코일은 자기 저항을 최소화하기 위해 리츠 와이어(Litz wire)가 이용될 수 있다. 지상 유도코일(100)은 부상코일로도 지칭될 수 있다.

코일은 부상력 또는 안내력을 충분히 견딜 수 있도록 고정되기 위해 체결 금구 구조를 가지도록 제작된다. 가이드레일을 전기적으로 절연하면서 구조적인 지지력을 제공할 수 있도록 에폭시 몰딩 구조체가 적합하다. 한편, 체결 금구는 자석(210, 220) 또는 전자석으로부터의 유도에 의한 손실을 감소시키기 위해 비전도·비자성 재질을 사용한다.

도 1을 다시 참조하면, 부상용 널 플럭스 코일의 단자는 상하 레일간 8자 모양의 연결 및 좌우 레일 간의 연결을 위해 널 플럭스 결선되며, 이러한 결선이 용이하도록 레일 하부에 단자대가 설치될 수 있다.

지상 유도코일(100) 내부의 전류는 제어기로부터 외부에서 인가되는 추진전류와 자속의 변화로 인한 유도전류가 함께 작용한다. 유도전류는 널 플럭스 코일 효과로 상부 코일(110)과 하부 코일(120)의 유도기전력의 차이로 인해 발생한다. 널 플럭스 코일은 두 개의 권선이 8자 형태로 연결되어 있어, 회로 내에서 발생되는 유도기전력을 상쇄시키므로 널 플럭스 방식이라고 불리운다. 이때 차상 자석(210, 220)이 수직 방향으로 기준점으로부터 예를 들어 하방으로 이동하면 하부 코일(120)에 더 큰 유도기전력이 발생되어 부상력을 제공한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치를 나타내는 측면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치(40)는 기존의 측벽 널 플럭스 부상장치(40)의 차상 자석(200, 예를 들어, 초전도전자석, 영구자석 또는 상전도전자석)과 비교하여 상하방향으로는 지상 유도코일(100)에 각각 매칭되도록 서로 다른 극성의 자석(410, 420)이 한 쌍으로 배치되고, 차량 진행방향으로 또한 극성(magnetic polarity)이 엇갈리게 한 쌍의 자석(410, 420)이 배치되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서는 차량 진행방향인 전후방향 및 상하방향 모두 서로 다른 극을 가진 자석(410, 420)이 번갈아 배치되어 쌍을 이루는 경우를 예시하였으나, 제동력을 제공하기 위한 실시예로서 전후방향으로만 한 쌍의 자석(210, 220)을 배치하고 그 사이의 공극(air gap, 500)을 좁히거나 넓히는 방식도 포함할 수 있다. 즉, 일 실시예는 도 3과 유사한 구성을 가지나, N극 자석(210)과 S극 자석(220)의 공극(500)을 넓힐 수 있도록 제어됨으로써 제동력을 제공하기 위한 자기력이 지상 유도코일(100)에 유도될 수 있다. 이러한 가변 자석 구조는 차량에 요구되는 제동력을 제공하기 위해 필요한 개수만큼 차량의 진행방향을 따라 적절한 위치에 배치될 수 있다.

일 실시예에 따른 비상제동장치는 차량의 진행방향으로 차량의 적어도 일부 영역에 배치되고, 차량에 요구되는 제동력에 따라 필요한 개수만큼 배열된다. 또한, 이들 자석 각각(410, 420)은 상하방향 및/또는 진행방향으로 물리적으로 더 큰 공극(500, 600)으로 이격되도록 제어될 수 있다.

초기 상태에서 4개 자석(400)은 지상 유도코일(100)에 대해 매우 작은 정도의 자기장만을 형성하여 지상 유도코일(100)에서는 이들 자석(400)에 의한 유도기전력은 실질적으로 발생하지 않는 것으로 이해할 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 널 플럭스 비상제동장치(40)는 초기 상태에서는 일종의 널 플럭스 자석 조합이라고 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치의 제동 상태를 나타내는 측면도이다.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 차상 자석(400)은 차량 진행방향으로 이격되어 벌어진 상태가 됨으로써 비상제동장치가 가동된다. 차량 진행방향으로 전방에 배치된 한 쌍의 자석과 후방에 배치된 한 쌍의 자석이 이격됨으로써 넓어진 제1공극(500)에는 지상 유도코일(100)에 영향을 주는 자기 플럭스(magnetic flux)가 형성되고, 이러한 자기 플럭스는 상술한 바와 같은 원리에 의해 각각의 코일에 자기장을 생성하게 된다. 코일에서 생성된 자기장은 널 플럭스 비상제동장치(40)의 자석들(400)과 작용하여 차량에 필요한 제동력을 제공한다.

또한, 전방의 자석 쌍과 후방의 자석 쌍 사이의 제1공극(500)의 간격을 조절함으로써 발생되는 제동력을 제어할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 측벽 널 플럭스 비상제동장치의 부상력 제어 상태를 나타내는 측면도이다.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 널 플럭스 비상제동장치(40)는 차상 자석(400)의 수직방향의 상부의 자석 쌍과 하부의 자석 쌍 사이의 제2공극(500)의 간격을 조절함으로써 발생되는 부상력을 제어할 수 있다.

상하방향의 상부에 배치된 한 쌍의 자석과 하부에 배치된 한 쌍의 자석이 이격됨으로써 넓어진 제2공극(500)에는 지상 유도코일(100)에 영향을 주는 자기 플럭스가 형성되고, 이러한 자기 플럭스는 상술한 바와 같은 원리에 의해 각각의 코일에 자기장을 생성하게 된다. 코일에서 생성된 자기장은 널 플럭스 비상제동장치(40)의 자석들(400)과 작용하여 차량에 필요한 부상력을 제공한다. 이러한 추가적인 부상력은 비상제동시 차량의 자세 제어에 이용될 수 있고, 또는 차량 내 탑승 인원의 차이에 따른 총중량에 대응하여 조정되도록 이용될 수 있다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

아음속 캡슐트레인(subsonic capsule train)에 있어서,
상기 캡슐트레인의 양 측면에 대향하는 튜브 내측면 양측에 상기 캡슐트레인의 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 부상코일;
상기 부상코일에 대응되도록 상기 부상코일과 소정 간극만큼 이격되어 상기 캡슐트레인에 배열되되, 한 쌍의 소정 간격으로 이격된 N극 자석과 S극 자석이 상기 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 차상 자석(on-board magnets)을 포함하여 널 플럭스(null flux)방식의 부상장치로서 구성되되,
적어도 일부의 상기 한 쌍의 차상 자석은 상기 N극 자석과 상기 S극 자석의 간극인 제1공극이 가변되도록 형성되는 가변 차상 자석으로 구성됨으로써 상기 캡슐트레인에 제동력을 제공하도록 형성되는
비상제동장치.
제1항에 있어서,
상기 가변 차상 자석은
상기 제1공극을 증가시키면 상기 캡슐트레인의 제동력이 증가하도록 형성되는
비상제동장치.
제1항에 있어서,
상기 차상 자석의 배열 간격 및 자석 각각의 공극은 상기 제1공극의 가변 범위를 고려하여 선정되는
비상제동장치.
제1항에 있어서,
상기 차상 자석은
초전도전자석, 영구자석 또는 상전도전자석 중 어느 하나인
비상제동장치.
아음속 캡슐트레인에 있어서,
상기 캡슐트레인의 양 측면에 대향하는 튜브 내측면 양측에 상기 캡슐트레인의 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 부상코일;
상기 부상코일에 대응되도록 상기 부상코일과 소정 간극만큼 이격되어 상기 캡슐트레인에 배열되되, 한 쌍의 소정 간격으로 이격된 N극 자석과 S극 자석이 상기 진행방향을 따라 배치되는 복수 개의 차상 자석(on-board magnets)
을 포함하여 널 플럭스(null flux)방식의 부상장치로서 구성되되,
적어도 일부의 상기 한 쌍의 차상 자석은 가변 차상 자석이고,
상기 가변 차상 자석은
2x2 매트릭스 형태로 배치되되 상기 진행방향 및 상하방향으로 인접한 자석은 서로 다른 자기 극성을 가지도록 배치되고,
상기 진행방향으로 제1공극만큼 이격되고, 상기 상하방향으로 제2공극만큼 이격되며,
상기 부상코일에서 유도기전력(induced electromotive force)이 발생하도록 상기 제1공극 및 상기 제2공극은 가변되도록 형성되는
비상제동장치.
제5항에 있어서,
상기 제1공극을 가변시킴으로써 상기 캡슐트레인에 제동력을 제공하도록 형성되는
비상제동장치.
제5항에 있어서,
상기 제2공극을 가변시킴으로써 상기 캡슐트레인에 부상력을 제공하도록 형성되는
비상제동장치.
제5항에 있어서,
상기 제1공극과 상기 제2공극은 동시에 가변됨으로써 상기 캡슐트레인이 제동될 때 동시에 부상력을 제어하여 상기 캡슐트레인의 자세가 제어되도록 형성되는
비상제동장치.
제5항에 있어서,
상기 차상 자석은
초전도전자석, 영구자석 또는 상전도전자석 중 어느 하나인
비상제동장치.
제5항에 있어서,
상기 차상 자석의 배열 간격 및 자석 각각의 공극은 상기 제1공극의 가변 범위를 고려하여 선정되는
비상제동장치.