KR20090107157A - 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템 - Google Patents

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권삼영
이형우
박찬배
이병송
박현준
박영
이기원
조용현
한경희
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 역간 노선 구간의 조건에 따라 역행구간과 타행구간에서는 선형유도전동기 방식에 의하되 지상의 2차측 도체판의 구조를 상이한 구조로 시공하여 건설비용과 차상의 리니어 모터의 크기 및 무게를 절감시킴과 아울러, 등판구간에서는 선형동기전동기 방식을 취함으로써 등판시에 높은 추력과 급구배 등판능력을 증대시킬 수 있도록 된 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은, 철도차량의 기동추력이 필요한 역행구간과, 동력을 내지 않고 주행 가능한 타행구간과, 급구배의 큰 추력이 필요한 등판구간으로 구분되는 철도차량의 운행구간에서, 상기 역행구간과 상기 타행구간에서는 철심과 권선으로 이루어져 이동자기장을 발생시키는 차상의 1차측 전기자(고정자)와 지상의 궤도 사이에 설치되는 2차측 회전자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형유도전동기 방식에 의하고, 상기 등판구간에서는 3상 교류가 인가되는 1차측 전기자와 전자석이나 영구자석을 사용하여 주자속을 형성하는 2차측 계자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형동기전동기 방식에 의하는 것을 특징으로 한다.
선형유도전동기, 선형동기전동기, 하이브리드, 리니어 추진시스템.

Description

철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템{Hybrid linear propulsion system for train}
본 발명은 선형유도전동기와 선형동기전동기의 동력발생 방식을 병용한 철도챠량용 하이브리드 리니어 추진시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역간 노선 구간의 조건에 따라 역행구간과 타행구간에서는 선형유도전동기 방식에 의하되 지상의 2차측 도체판의 구조를 상이한 구조로 시공하여 건설비용과 차상의 리니어 모터의 크기 및 무게를 절감시킴과 아울러, 등판구간에서는 선형동기전동기 방식을 취함으로써 등판시에 높은 추력과 급구배 등판능력을 증대시킬 수 있도록 된 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템에 관한 것이다.
통상 선형전동기(Linear Motor)라 함은 회전운동을 하는 일반 전동기와는 달리 직선운동을 하는 전동기를 말한다.
선형전동기는 장치의 구조가 간단하여 유지 및 보수가 용이하고, 장비의 관리비용을 절감시킬 수 있으며, 정밀한 위치제어가 가능하다는 장점이 있다.
이러한 선형전동기 가운데 철도차량용으로 사용되는 선형전동기에는, 중·저속 자기부상열차에 사용되는 선형유도전동기(LIM; Linear Induction Motor)와, 초 고속 자기부상열차에 사용되는 선형동기전동기(LSM; Linear Synchronous Motor)가 있다.
선형유도전동기는 철심과 권선으로 이루어져 이동자기장을 발생시키며 철도차량의 차상에 설치되는 1차측 전기자(고정자)와, 지상의 궤도 사이에 설치되는 회전자로 구성되며, 상기 전기자의 권선에 교류를 인가하면 N극과 S극이 교번하여 이동자기장을 발생시키고, 상기 이동자기장이 회전자에 위치한 2차측 도체판에 유도전압을 유기시켜서 1차측과 2차측의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 장치이다.
한편, 선형동기전동기는 3상 교류의 인가에 의한 1차측 전기자와, 이동자 권선에 직류를 인가하여 전자석을 만들거나 영구자석을 사용하여 주자속을 형성하는 2차측 계자 사이의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 장치이다.
일반적으로 선형유도전동기 방식은 열차에 전자석 코일이 설치되므로 선형동기전동기에 비해 차체가 무거워지고 소음이 상대적으로 큰 단점이 있다.
또한, 철도차량이 급구배(급경사)를 등판할 경우, 많은 전력공급이 소요되고, 2차측 도체판에 열을 발생시킴에 따라서 기기의 정격을 증가시켜 차상의 리니어 모터의 크기와 무게를 증가시키는 원인이 되며, 동일 정격의 모터를 사용할 경우, 등판능력에 한계가 존재하게 된다. 다만, 선형유도전동기 방식은 선형동기전동기 방식보다 구조가 간단하고 건설비가 저렴하다는 장점을 가지고 있다.
이에 반하여, 선형동기전동기 방식은 전기자와 계자 사이에 전력의 교환이 없기 때문에 공극을 크게 할 수 있고, 효율이 60% 이상으로서 선형유도전동기에 비해 효율이 높으며, 선형유도전동기 방식보다 추진력이 매우 크기 때문에 시속 500km의 고속용에 적합하다.
그러나, 상기 선형동기전동기의 작동을 위해서는 동기(同期, synchronizing)를 위한 위치신호가 필요하며, 역간 구간을 나누지 않고 레일 전체에 걸쳐 전자석 코일을 설치하여야 하므로 건설비용이 높아져 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
도 1은 종래 철도차량용 리니어 추진시스템의 설치 상태도이다.
종래의 철도차량용 리니어 추진시스템은 선형유도전동기 방식으로 운용되고 있으며, 지상의 궤도 즉 선로(25)에는 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)를 이용한 2차측 도체판(26)과 백아이언(Back Iron, 28)이 철도의 전체 선로에 걸쳐 설치되는데, 이러한 구조는 건설비가 많이 소요되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 철도차량(20)에 전자석 코일이 탑재되므로 선형동기전동기에 비해 차제의 무게가 무거워지고 소음이 상대적으로 큰 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 철도차량의 운행방식을 선형유도전동기 방식 또는 선형동기전동기 방식 중에서 어느 하나만을 채택하지 않고, 철도차량의 운행구간을 구동동력의 형태에 따라 차량의 기동추력이 필요한 역행구간(Powering), 동력을 내지 않고 주행 가능한 타행구간(Coasting), 급구배의 커다란 추력이 필요한 등판구간(Climbing)으로 나누고, 선형유도전동기 방식과 선형동기전동기 방식의 장점을 살려 각 구간에 적합한 운행방식을 채택함으로써, 타행구간에서의 건설비를 줄이고 차상의 리니어 모터의 크기 및 무게를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 역행구간에서의 기동추력과 등판구간에서의 추력 및 등판능력을 크게 향상시킬 수 있도록 된 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템을 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템은, 철도차량의 기동추력이 필요한 역행구간과, 동력을 내지 않고 주행 가능한 타행구간과, 급구배의 큰 추력이 필요한 등판구간으로 구분되는 철도차량의 운행구간에서, 상기 역행구간과 상기 타행구간에서는 철심과 권선으로 이루어져 이동자기장을 발생시키는 차상의 1차측 전기자(고정자)와 지상의 궤도 사이에 설치되는 2차측 회전자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형유도전동기 방식에 의하고, 상기 등판구간에서는 3상 교류가 인가되는 1차측 전기자와 전자석 이나 영구자석을 사용하여 주자속을 형성하는 2차측 계자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형동기전동기 방식에 의하는 것을 특징으로 한다.
상기 역행구간은 지상의 2차측이 매입농형 도체판과 백아이언의 이층구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 타행구간은 지상의 2차측이 백아이언의 단층구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 등판구간에서, 지상에는 3상 권선을 설치하고 교류를 인가하여 선형동기전동기의 1차측 전기자로 이용하고, 차상에는 상기 선형유도전동기의 전기자에 직류를 인가하여 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 등판구간의 시작과 끝 부분의 지상에는 열차의 진입 여부를 감지하는 센서와, 상기 센서에서 감지된 열차 진입 신호에 따라 선형유도전동기 방식과 선형동기전동기 방식간의 상호 변환을 유도하는 인버터가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 등판구간에서, 지상에는 영구자석을 설치하여 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용하고, 차상에는 상기 선형유도전동기의 전기자에 3상 교류를 인가하여 선형동기전동기의 1차측 전기자로 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템에 의하면, 2차측 도체판의 구조를 운행구간별로 적합한 구조로 변경하여 구성함으로써, 역사내의 역행구간에는 도전율이 높은 2차측 도체판과 백아이언의 이층구조를 사용하여 기동추력을 향상시킬 수 있으며, 타행구간에는 2차측 도체판 없이 백아이언만의 단층구조 로 시공하여 건설시공비를 절감시킴과 아울러, 차상의 리니어 모터의 크기 및 무게를 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 등판구간에서는 선형동기전동기 방식으로 전환되도록 하여 추력과 급구배 등판능력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템의 설치 상태도이다.
본 발명의 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템은, 철도차량(20)의 운행구간을 구동동력의 형태에 따라 역사(10)구내 및 기동추력을 요하는 구간으로서 동력을 이용하여 운전하는 구간인 역행구간(30)과, 커다란 추력을 요하지 않는 구간이나 동력을 이용하지 않고 달리는 철도차량(20)의 관성에 의한 힘으로 운전하는 구간인 타행구간(40)과, 지상의 급구배로 인하여 큰 추력과 등판능력을 요하는 등판구간(50)으로 구분하여, 상기 역행구간(30) 및 상기 타행구간(40)에서는 선형유도전동기 방식으로 운용되고, 상기 등판구간(50)에서는 선형동기전동기 방식으로 전환하여 운용됨을 특징으로 한다.
즉, 경사가 완만한 구간인 상기 역행구간(30)과 상기 타행구간(40)에서는 선형유도전동기 방식을 취하여 운행구간의 건설비용을 절감할 수 있으며, 경사가 급한 등판구간(50)에서는 높은 추력을 얻을 수 있는 선형동기전동기 방식으로 운용되 도록 하여 등판능력을 향상시킬 수 있다.
선형유도전동기 방식을 취하는 상기 역행구간(30)의 선로(32)에 설치되는 2차측은 2차측 도체판(34)과 백아이언(36)의 이층구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 2차측 도체판(34)은 종래 사용되던 알루미늄이나 구리를 대체하여 도전율이 높은 매입농형의 도체판을 사용하여 역행구간(30)에서의 기동추력을 크게 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 차상의 리니어 모터의 크기 및 무게를 절감할 수 있게 된다.
그리고, 선형유도전동기 방식을 취하는 상기 타행구간(40)의 선로(42)에 설치되는 2차측은 백아이언(44)만의 단층구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 타행구간(40)에서는 열차의 관성력을 이용한 열차의 운행이 가능하여 큰 추력을 요하지 않으므로, 상기 역행구간(30)에서와 같은 2차측 도체판(34)을 설치하지 않고 백아이언(44)만의 단층구조로 시공하여 건설비용을 절감할 수 있게 된다.
한편, 상기 등판구간(50)에서는 급구배의 등판시에 큰 추력과 등판능력을 요하므로 상기 역행구간(30)과 상기 타행구간(40)에서의 구동방식인 선형유도전동기 방식을 선형동기전동기 방식으로 전환시켜 운용함을 특징으로 한다.
이하에서는 상기 등판구간(50)에서 선형동기전동기 방식을 적용하는 두 가지 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 등판구간에서 지상에 3상 교류 인가에 의한 1차측 전기자, 차상에 DC 전자석에 의한 2차측 계자로 구성된 선형동기전동기의 지상 1차 방식을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 등판구간(50)에 적용되는 선형동기전동기 방식의 제1실시예는, 지상의 1차측 전기자와 차상의 2차측 계자로 구성된 것이다.
즉, 상기 등판구간(50)에서 지상에는 3상 권선을 설치하고 교류를 인가하여 선형동기전동기의 1차측 전기자로 이용하고, 차상에는 상기 역행구간(30)과 상기 타행구간(40)에서의 선형유도전동기의 1차측 전기자에 직류를 인가하여 직류형(DC) 전자석을 형성함으로써 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용하게 된다.
따라서, 상기 제1실시예는 등판구간(50)에서 선형동기전동기 방식을 지상 1차 방식으로 운용한 것이다.
도 2를 함께 참조하면, 등판구간(50)이 시작과 끝 부분의 지상에는 센서(54,64)와 인버터(56,66)가 설치되어, 철도차량(20)이 상기 등판구간(50)으로 진입하는 경우 상기 센서(54)에서는 철도차량(20)의 진입을 감지하게 되며, 상기 센서(54)에서의 감지신호에 따라 인버터(56)에서는 차상에 설치된 선형유도전동기의 전기자 부분에 직류를 인가하게 된다.
이 후, 철도차량(20)이 상기 등판구간(50)을 통과하여 수평구간(60)으로 진입하는 경우에는 상기 등판구간(50)이 끝나는 지점의 지상에 설치된 센서(64)에서는 이러한 철도차량(20)의 진입신호를 감지하게 되며, 상기 센서(64)에서의 감지신호에 따라 인버터(66)에서는 차상에 설치된 선형유도전동기의 전기자 부분에 다시 교류가 인가되도록 하여 선형유도전동기 방식으로 재전환하게 된다.
상기와 같은 구성을 통해 급구배 구간 및 정격이상의 추력이 요구되는 상기 등판구간(50)에는 지상에 3상 권선을 설치하여 교류를 인가함으로써 선형동기전동기의 이동자계를 생성하는 전기자 역할을 담당하게 되고, 이와 동시에 차상의 선형유도전동기의 1차측 전기자에 교류를 인가하지 않고 직류를 인가하여 N, S 자속을 만드는 전자석의 역할을 수행하도록 제어함으로써 상기 역행구간(30)과 상기 타행구간(40)에서의 선형유도전동기의 1차측은 지상 전력공급 방식의 선형동기전동기의 2차측 계자 역할을 담당하게 된다.
따라서 상기 등판구간(50)에서는 선형동기전동기 방식의 선형 추진시스템을 구현할 수 있게 되며, 상기 등판구간(50)에서 선형유도전동기 방식을 사용하지 않고, 선형동기전동기 방식으로 변환하여 사용함으로써, 큰 추력과 급구배 등판능력을 획기적으로 증대시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 등판구간에서 지상에 영구자석에 의한 2차측 계자, 차상에 3상 교류 인가에 의한 1차측 전기자로 구성된 선형동기전동기의 차상 1차 방식을 나타낸 구성도이다.
본 발명의 등판구간(50)에 적용되는 선형동기전동기 방식의 제2실시예는, 차상의 1차측 전기자와 지상의 2차측 계자로 구성된 것이다.
즉, 본 발명의 제2실시예는 등판구간(50)에서의 급구배 등판능력을 높이기 위한 구성으로써, 차상에 설치된 선형유도전동기의 전기자에 인가되는 교류를 그대로 유지하되, 지상의 등판구간(50)의 선로(52)에는 영구자석을 설치한 것이다.
상기 지상의 영구자석은 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용되고, 차상에는 상기 역행구간(30) 및 상기 타행구간(40)에서와 같이 3상 교류가 인가되어 1차측 전기자로 이용된다.
상기 제2실시예는 상술한 제1실시예와는 달리 차상의 전기자에 인가되는 전류의 형태가 교류로 일정하게 유지되므로, 상기 제1실시예에서 차상에 인가되는 전류의 형태를 교류에서 직류로 또는 직류에서 교류로 변경하기 위해 설치되는 센서(54,64)와 인버터(56,66)를 별도로 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 종래 철도차량용 리니어 추진시스템의 설치 상태도,
도 2는 본 발명에 따른 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템의 설치 상태도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 등판구간에서 지상에 3상 교류 인가에 의한 1차측 전기자, 차상에 DC 전자석에 의한 2차측 계자로 구성된 선형동기전동기의 지상 1차 방식을 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 등판구간에서 지상에 영구자석에 의한 2차측 계자, 차상에 3상 교류 인가에 의한 1차측 전기자로 구성된 선형동기전동기의 차상 1차 방식을 나타낸 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 역사 20 : 철도차량
25 : 선로 26,34 : 2차측 도체판
28,36,44 : 백아이언 30 : 역행구간
32 : 역행구간 선로 40 : 타행구간
42 : 타행구간 선로 50 : 등판구간
52 : 등판구간 선로 54,64 : 센서
56,66 : 인버터 60 : 수평구간

Claims (6)

  1. 철도차량의 기동추력이 필요한 역행구간과, 동력을 내지 않고 주행 가능한 타행구간과, 급구배의 큰 추력이 필요한 등판구간으로 구분되는 철도차량의 운행구간에서, 상기 역행구간과 상기 타행구간에서는 철심과 권선으로 이루어져 이동자기장을 발생시키는 차상의 1차측 전기자(고정자)와 지상의 궤도 사이에 설치되는 2차측 회전자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형유도전동기 방식에 의하고, 상기 등판구간에서는 3상 교류가 인가되는 1차측 전기자와 전자석이나 영구자석을 사용하여 주자속을 형성하는 2차측 계자간의 상호작용에 의하여 추진력을 얻는 선형동기전동기 방식에 의하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역행구간은 지상의 2차측이 매입농형 도체판과 백아이언의 이층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 타행구간은 지상의 2차측이 백아이언의 단층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 등판구간에서, 지상에는 3상 권선을 설치하고 교류를 인가하여 선형동기전동기의 1차측 전기자로 이용하고, 차상에는 상기 선형유도전동기의 전기자에 직류를 인가하여 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 등판구간의 시작과 끝 부분의 지상에는 열차의 진입 여부를 감지하는 센서와, 상기 센서에서 감지된 열차 진입 신호에 따라 선형유도전동기 방식과 선형동기전동기 방식간의 상호 변환을 유도하는 인버터가 구비된 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 등판구간에서, 지상에는 영구자석을 설치하여 선형동기전동기의 2차측 계자로 이용하고, 차상에는 상기 선형유도전동기의 전기자에 3상 교류를 인가하여 선형동기전동기의 1차측 전기자로 이용하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 하이브리드 리니어 추진시스템.
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