KR20050091126A - 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자력을 이용해 선로 위에서 열차와 같은 이송수단을 이송시키기 위한 자기부상 이송 시스템에 관한 것으로, 특히 측면으로 큰 안내력이 요구되는 시스템을 구현하고자 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서는 자극표면에 2개 이상의 다수 치(齒)를 가진 자기 부상 전자석을 구현하므로써, 측면 방향에 큰 안내력이 요구되는 시스템에 적용할 수 있는 자기부상 이송시스템을 제공하고자 하며, 또한 정격 공극에서는 영구자석에 의해 부상력을 발생시키고, 부하변동에 따른 제어전류만 전자석 권선에서 공급하도록 하여 자속을 얻도록 하는 영구자석과 전자석 결합 부상 시스템을 제안하여 시스템을 경량화, 간략화할 수 있고 에너지가 적게 소비되는 자기 부상 이송 시스템을 구현할 수 있도록 한다.

Description

안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템{Magnetically levitated transportation system with increased guidance force}

본 발명은 자력을 이용해 선로 위에서 열차와 같은 이송수단을 이송시키기 위한 자기부상 이송 시스템에 관한 것으로, 특히 측면으로 큰 안내력이 요구되는 시스템을 구현하고자 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템에 관한 것이다.

자기부상 이송시스템은 기계적인 접촉 및 마찰이 없이 자기를 이용하여 이송수단을 부상시켜 이송시킴으로 무 소음, 초 청정 이송시스템을 구현할 수 있다.

자기부상 이송시스템은 부상력, 안내력 및 추진력이 요구되는데, 부상 전자석에서 부상력과 안내력을 제공하며, 선형전동기에서 추진력을 제공하고 있다.

여기서 부상 전자석에서 수직방향의 부상력을 제공하며, 부상 전자석의 전류를 제어함으로 일정한 공극을 유지하고, 측면 방향의 안내력을 얻고 있다.

이와 같은 시스템에서 제공하는 측면방향의 안내력은 한계가 있어, 큰 안내력을 요구하는 시스템에는 적용하기에 어려움이 있다.

종래 자기부상시스템에서 측면 방향에 큰 안내력이 요구되는 경우 측면 방향의 안내력을 제공하기 위한 전자석을 별도로 설치하고, 또한 정격 부상력을 전자석의 권선에서 발생시키도록 한다.

이와 같이, 측면 방향에 큰 안내력이 요구되는 자기부상 시스템에서는 측면 방향의 안내 전자석을 별도로 설치함으로 시스템이 복잡하고 공간을 많이 차지하게 된다.

또한 정격 부상력을 전자석의 권선에서 발생하는 자속에서 얻기 때문에 자기부상시스템의 전원공급장치 용량이 커지고, 많은 에너지가 필요하며, 권선에서 열적인 스트레스(stress)가 크므로 쉽게 열화 되어 고장의 원인이 된다.

본 발명에서는 자극표면에 2개 이상의 다수 치(齒)를 가진 자기 부상 전자석을 구현하므로써, 측면 방향에 큰 안내력이 요구되는 시스템에 적용할 수 있는 자기부상 이송시스템을 제공하고자 한다.

또한, 정격 공극에서는 영구자석에 의해 부상력을 발생시키고, 부하변동에 따른 제어전류만 전자석 권선에서 공급하도록 하여 자속을 얻도록 하는 영구자석과 전자석 결합 부상 시스템을 제안하여 시스템을 경량화, 간략화할 수 있고 에너지가 적게 소비되는 자기 부상 이송 시스템을 구현할 수 있도록 한 것이다.

이와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명 안내력을 증가시킨 자기 부상 이송시스템은,

자기 부상 이송시스템에 있어서,

공극을 사이에 두고 있는 자기부상 전자석의 고정부 철심과 이동부 철심의 자극표면에 2개이상의 다수 치를 구성하여 고정부 철심과 이동부 철심 사이에 안정된 측면 안내력을 발생시키는 부분을 증가시켜 안내력을 증가시키도록 한 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 이동부 철심에 영구자석을 설치하여 정격 공극에서는 영구자석를 통해 부상력을 얻고, 부하변동에 따라 자기부상 전자석의 제어전류만 공급하도록 한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명 시스템을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 측면방향 안내력 증가를 위한 본 발명 시스템을 나타낸 도면이다.

차량(10)의 부상력과 안내력을 제공하기 위한 흡인식 자기부상 전자석(20)과 직선운동을 하기 위한 선형유도 전동기(30)로 구성되어 있으며,

자기 부상 전자석(20)은 고정된 레일측 철심(21)과, 차량에 설치된 이동자측 철심(22)으로 구성되며, 이동자측 철심(22)에 감긴 부상용 전자석 권선(23)에 수직부하에 따라 공급되는 전류에 의해 레일측 철심(21)과 이동자측 철심(22)이 일정한 공극(g)이 유지되도록 구성된다.

상기 선형유도 전동기(30)는 이동자 권선(32)과 이동자 철심(33)으로 구성되는 1차측 이동자(31)와, 고정자 도체(35)와 고정자 철심(36)으로 구성되는 2차측 고정자(34)로 구성된다.

상기 자기부상전자석(20)은 공극(g)을 사이에 두고, 레일측 철심(21)과 이동자측 철심(22)에 마주보게 치(21a,22a)를 형성하여 안내력을 향상시키도록 구성된다.

미 설명된 부호 40은 레일측 구조물이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명은,

레일설계에 따라 레일측 구조물(40)이 구성되며, 차량(10)의 부상력 및 안내력을 제공하기 위한 자기부상 전자석(20)은 레일측 구조물(40)에 레일측철심(21)이 설치되고, 레일측철심(21)과 일정한 공극(g)을 유지하고 부상용전자석 권선(23)이 구성된 이동자측철심(22)이 차량에 설치된다.

여기서, 수직의 부하변동에 대하여 열차(10)의 부상정도를 결정하는 즉, 레일측철심(21)과 이동자측철심(22)의 공극(g)의 유지는 부상용전자석 권선(23) 전류로 제어된다.

선형유도전동기(30)는 1차측 이동자(31)와 2차측 고정자(34)가 소정의 공극을 유지한 상태로 차량(10)과 레일측 구조물(40)에 설치되어 차량(10)에 추진력을 제공하게 된다.

여기서 상기 선형유도전동기(30)의 1차측 이동자(31)는 이동자철심(33)에 이동자 권선(32)이 구성되고, 2차측 고정자(34)는 고정자 철심(36)에 고정자도체(35)가 구성되며, 고정자도체(35)는 전도성이 높은 알루미늄이나 구리 재질로 되어 있다.

도 14와 도 15는 각각 직선과 곡선 이송시 적용되는 추진용 선형 유도 전동기 1차 개념도를 나타낸다.

추진용 선형 유도 전동기(30)의 1차측이동자(31)는 이동자권선(32)과 이동자철심(33)으로 구성 되며, 이동자권선(32)은 이동자철심(33)의 슬롯에 삽입되어있다.

선형 유도전동기(30)의 2차측 고정자(34)는 알루미늄 혹은 동판으로 된 고정자도체(35)와 고정자철심(36)으로 구성되어 있다.

이와 같은 선형유도전동기(30)의 동작원리는 이동자권선(32)에 3상 전류를 인가하면 이동하는 자속이 발생하고, 이 이동자계 때문에 고정자도체(35)에서 와전류가 유도되어 추진력을 발생시킨다.

고정자철심(36)은 자기회로에 자기저항을 줄여 이동자권선(32)의 적은 3상 전류로 큰 자속을 발생시킨다.

부상력과 안내력은 자기부상 전자석(20)의 레일측철심(21)과 이동자측철심(22)에 따라 결정되는 바, 레일측철심(21)과 이동자측 철심(22)에 치(21a,22a)를 형성시켜 큰 측면 안내력을 제공한다.

도 3은 본 발명 자기부상 이송 시스템의 부상 전자석 개념도를 나타낸다.

이때 자기 에너지 경로를 제공하는 레일측철심(21)과 이동자측 철심(22)의 마주보는 자극면적이 줄어들게 되므로 수직방향의 부상력은 다소 감소하나, 큰 측면 안내력을 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명 자기부상 이송시스템은 자기부상 이송시스템 차량(13)은 흡인식 자기부상 전자석(1)에 의해 부상력과 안내력을 얻고, 선형유도 전동기(5)에 의해 추진력을 얻어 설계된 레일을 따라 차량(10)이 이동된다.

도 2는 곡선부 레일을 나타낸 것으로, 곡선부 레일에 따라 2차측고정자(34)를 형성시켜 선형유도전동기(30)를 구성하는 것을 나타낸다.

이와 같은 도 2에서는 곡선이송시 원심력이 크므로 큰 측면안내력이 필요하게 된다.

따라서 선형유도전동기(30)를 레일의 곡률에 따라 곡선형태로 이루어지도록 하여 큰 측면 안내력을 얻을 수 있도록 한다.

차량(10)의 곡선운동을 위해서는 자기부상전자석(20)의 레일측철심(21) 및 이동자측 철심(22) 그리고 레일측 지지물(40)이 곡선형태로 이루어진다.

이때 선형유도전동기(30)의 2차측고정자(34)의 고정자철심(36)과 고정자도체(35)를 레일측지지물(40)의 곡률에 따라 형성하여 레일을 설계한다.

따라서 종래의 레일의 곡선부에서도 선형유도전동기(30)를 직선형태로 구성할 경우와 대비하여 큰 측면 안내력을 얻을 수 있게 된다.

즉 레일의 형상과 선형유도전동기(30)의 오차는 힘(부하)의 감소를의미하는 것으로, 본 발명 실시예에 있어서는 레일의 곡선과 선형유도전동기(30)를 일치시켜 그 오차를 줄이고자 하는 것이다.

종래에는 레일의 곡선부에서도 선형유도전동기(30)를 소정의 길이(일반적으로 2m)로 끊어 구성하며, 여기서 선형유도전동기(30)의 길이는 시스템 크기(차량의부하, 속도), 레일의 곡률에 따라 달라질 수 있다.

여기서 일정한 곡률로 전체 레일이 구성된다면 도 4에서와 같이, 1차측 이동자(31) 또한 설계된 레일에 따라 곡선형상을 갖도록 설계할 경우 안내력을 증가시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 있어서 자기부상 전자석(20)의 힘 발생원리를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에서의 치(21a,22a)에 의해 발생되는 힘의 대비를 위하여 치(21a,22a)를 형성시키지 않은 시스템을 나타낸 것이다.

도 5에서 전자석 극의 폭 길이는 'a'이고, 좌,우 모두 2개의 표면으로 구성되어 있고, 도 6에서의 본 발명 전자석 극의 폭 길이는 'b'이고 좌,우 모두 4개의 표면으로 구성되어 있다.

여기서, 도 6에서의 본 발명이 적용된 자기부상 전자석(20)은 2개 이상의 치(15)로 구성된 실시예이며, 도 5는 이를 돕기위해 동일부호로 처리한다.

도면 5에서 자기부상 전자석(20)의 이동부가 중심에서 'dx' 만큼 이동 했을때 이동자권선(32)에 전류를 흘리면 2개의 힘이 형성되는데 측면 방향 힘(F_x1) 과 수직 방향 힘(F_y1)으로 나눌 수 있다.

측면 방향에 대한 힘(F_x1)은 항상 안정된 안내력을 제공하고 수직 방향 힘(F_y1)은 흡인력으로 일정 공극을 유지하기 위한 전류제어기가 반드시 필요하다.

힘(F_x1)(F_y1)은 공극을 마주하고 있는 레일측철심(21)과 이동자측 철심(22)이 상하 일직선으로 일치되려고 즉, 자기저항을 최소로 하기 위g하여 발생하는 측면 방향 힘 과 수직 방향 힘이다.

따라서 도 5에서의 경우 레일측철심(21)과 이동자측철심(22)이 일치 되려고 하는 일직선이 4개이다.

한편 본 발명 시스템이 적용된 도 6에서는 부상 전자석과 힘 발생 원리는 같으나 레일측철심(21), 이동자측철심(22)의 자극 표면에 슬롯에 의한 치(21a,22a)을 설치하여 극의 폭의 길이는 b이고 좌우 모두 4개의 표면으로 구성되어 있다.

여기서 측면 방향에 대한 힘(F_x2)는 항상 안정된 안내력을 제공하고 수직 방향 힘(F_y2)는 흡인력으로 일정 공극을 유지하기 위한 힘으로 마찬가지로 전류제어기가 반드시 필요하다.

상기에서 설명한 바와 같이, 힘(F_x2)(F_y2)은 공극을 마주하고 있는 레일측철심(21)과 이동자측철심(22)이 상하 일직선으로 일치되려고 하는 자기저항을 최소로 하기 위한 것으로, 도 6에서는 레일측철심(21)과 이동자측철심(22)이 일치 될려고 하는 일직선이 8개 존재하게 된다.

따라서 도 5와 도 6에서 측면 방향 힘 'F_x1'과 F_x2 는 대략 비슷하지만, 수직 방향 힘 F_x2는 F_x2 보다 2배 이상 크게 나타난다.

도 7은 도 5에서와 도 6에서의 실시된 시스템에서의 레일측철심(21)이 측면방향으로 이동하게 됨에 따른 부상력과 측면방향 안내력을 나타낸 그래프이다.

여기서, 실선으로 표시된 그래프는 도 6의 본 발명이 적용된 시스템에 있어 부상력과 측면방향 안내력을 나타낸 것이고, 점선은 도 5에서의 자기부상 전자석(20)의 부상력 과 측면방향 안내력를 나타낸 것이다.

레일측철심(21)이 측면방향으로 이동하면 이동할수록 부상력을 발생시키는 자극의 표면적이 줄어들므로 수직방향 부상력이 감소하게 되는 바,

상대적인 수직방향 부상력의 크기는 도 6에서의 시스템이 부상력을 발생시키는 자극의 표면적이 도 5에서의 시스템보다 더 줄어들게 되므로 수직방향 부상력은 도 6의 본 발명 시스템이 도 5의 시스템보다 작게 된다.

도 6의 본 발명 시스템이 레일측철심(21)이 측면으로 폭 'b' 만큼 이동하였을 때 안내력이 가장크고, 마찬가지로 도 5의 시스템에서 측면으로 레일측철심(21)이 폭 'a' 만큼 이동하였을 때 안내력이 가장 크다.

그러나 측면 방향 안내력의 크기는 상기에서 설명 한 바와 같이 도 6의 본 발명 시스템에서 도 5의 시스템보다 2배 크게 나타난다.

이와 같은 본 발명 실시예에서는 치(21a,22a)를 두 개 구성한 것으로, 도 8에서와 같이, 2개이상의 치(21a,22a)를 설치할 경우 치(21a,22a)의 설치갯수에 따라 측면방향의 안내력의 크기는 크게 나타나게 된다.

이와 같이 본 발명은 도 6 및 도 7에서 보는 바와 같이, 보다 큰 안내력과 다소 작은 부상력을 얻을 수 있게 되며, 2개이상의 다수개의 치(21a,22a)를 설치하므로, 안내력을 더 크게 구성할 수 있는 바,

치(21a,22a)의 설치 개수는 설계될 시스템의 부하에 따라 부상력을 감안하여 설정하여할 것이며, 수직방향의 부상력이 조금 작더라도 큰 안내력이 필요할 경우 본 발명 시스템이 적합하다.

도 9와 도면 10은 자기부상 전자석(20)의 부상용 전자석권선(23)의 설치예를 나타낸 도면이다.

도 9에서는 이동자측철심(22)의 측면에 자기부상 이송시스템 차량(10)이 설치될 때 적합하고, 도 10의 경우 이동자측 철심(22)의 아래에 자기부상 이송시스템 차량(10)이 설치될 때 적합한 경우이다.

한편, 도 11과 도 12는 자기부상 전자석(20)에 영구자석(50)을 결합시 자기부상 전자석(20)의 이동부 개념도를 나타낸 것이다.

도 11은 영구자석(50)을 자기부상 전자석(20)의 중앙에 배치한 경우이며, 도 12는 영구자석(50)을 모서리에 배치한 경우이다.

기존의 자기부상 전자석(20)은 부상용 전자석 권선(23)에서 흐르는 전류에서 자속을 얻기 때문에 자기부상 이송시스템의 전원공급장치 용량이 크게 되고, 많은 에너지가 필요하기 때문에, 본 발명 시스템에서는 영구자석을 결합시켜 정격 공극에서는 영구자석(50)에 의해 부상력을 얻고, 부하변동에 따른 제어전류만 부상용 전자석 권선(50)을 통해 공급하도록 하여 시스템을 경량화, 간략화할 수 있도록 하고 에너지가 적게 소비되는 자기부상 이송시스템을 구현할 수 있도록 한 것이다.

여기서, 도 11과 도 12에서 영구자석(50)의 높이 'c', 'd'를 부상용 이동자측 철심(22)의 폭 'a'보다 크게함으로 높은 자속을 얻어서 보다 큰 힘을 얻을 수 있다.

도 13은 영구자석(50)이 결합된 전자석-영구자석 결합 부상 전자석과 기존의 전자석만을 이용하여 시스템을 설계할 경우, 자기부상 전자석(20)의 전류 대 부상력 특성을 나타낸 그래프이다.

영구자석(50)을 결합할 경우, 높은 부상력을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

이때, 영구자석(50)을 결합하는 경우 부상용 전자석 권선(23)의 전류가 '0'일때 정격 부상력을 얻을 수 있고, 전자석만을 이용하는 기존 부상 전자석의 경우 부상용 전자석 권선(23)의 전류가 '0'일때 부상력은 '0'이다.

이상에서와 같은 본 발명은, 복수(2개 이상) 치를 가진 부상 전자석을 구현함으로 측면 방향에 큰 안내력이 발생시킬 수 있도록 하므로써, 큰 안내력이 요구되는 시스템에 적용할 수 있다.

또한, 부상용 전자석에 영구자석을 결합시켜, 정격 공극에서는 영구자석에 의해 부상력을 발생시키고, 부하변동에 따른 제어전류만 부상용 전자석 권선을 통해 공급하도록 하므로써, 시스템을 경량화, 간략화할 수 있고 에너지가 적게 소비되는 자기부상시스템을 구현할 수 있다.

특히 에너지를 적게 소비하면서 기계적인 접촉과 마찰이 없이 이송시킴으로 무 소음, 초 청정 이송시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 있어서, 레일의 곡선부를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 있어서, 자기부상 이송 시스템의 부상 전자석 개념도.

도 4는 본 발명에 있어서, 곡선형태로 설계된 레일에 따른 실시예를 보인 도면.

도 5는 본 발명의 치(齒)에 의해 발생되는 힘의 대비를 위하여 치를 형성시키지 않은 시스템을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 있어서, 자기부상 전자석의 힘 발생원리를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 있어서, 레일측철심이 측면방향으로 이동하게 됨에 따른 부상력과 측면방향 안내력을 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명에 있어서, 치(齒)의 설치개수의 실시예를 나타낸 도면.

도 9 및 도 10은 본 발명에 있어서, 자기부상 전자석의 부상용 전자석권선의 설치예를 나타낸 도면.

도 11과 도 12는 본 발명에 있어서, 자기부상 전자석에 영구자석을 결합시 자기부상 전자석의 이동부 개념도.

도 13은 본 발명에 있어서, 영구자석이 결합된 전자석-영구자석 결합 부상 전자석이 적용된 시스템과 전자석만을 이용한 시스템에서의 자기부상 전자석의 전류 대 부상력 특성을 나타낸 그래프.

Claims (7)

1. 차량의 부상력과 안내력을 제공하기 위한 자기부상 전자석과 직선운동을 하기 위한 선형유도 전동기로 구성되는 자기 부상 이송시스템에 있어서,

   공극을 사이에 두고 있는 자기부상 전자석의 고정부 철심과 이동부 철심의 자극표면에 2개이상의 다수 치(齒)를 구성하여 고정부 철심과 이동부 철심 사이에 안정된 측면 안내력을 발생시키는 부분을 증가시킨 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 설계된 레일의 곡률에 따라 상기 선형유도 전동기의 2차측 고정자가 레일구조물에 설치된 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 자기부상 전자석의 이동부철심에 구성된 부상용 전자석권선을 이동부철심을 중심으로 상하로 설치된 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 자기부상 전자석의 이동부철심에 구성된 부상용 전자석권선을 이동부철심을 중심으로 좌우 측면으로 설치된 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 이동부철심에 영구자석을 설치하여 영구자석을 설치하여 정격 공극에서는 영구자석를 통해 부상력을 얻고, 부하변동에 따라 자기부상 전자석의 제어전류만 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 영구자석이 이동부철심의 중앙부에 설치된 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.
7. 제 5항에 있어서, 영구자석이 이동부철심의 모서리부에 설치된 것을 특징으로 하는 안내력을 증가시킨 자기부상 이송 시스템.