KR20100090406A - 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템 - Google Patents

추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템 Download PDF

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KR20100090406A
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이형우
권혁빈
이창영
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 아진공 상태의 튜브 내에서 반발식으로 부상 및 안내하고 공심형 추진 시스템을 이용하여 여객 및 화물을 운송하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 튜브의 내측 하부 양측면에 형성되는 지지단과, 상기 지지단의 상부에 구비되어 열차의 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판과, 상기 지지단의 측면에 구비되어 열차를 안내하기 위한 반발식 안내판과, 상기 지지단의 측면에 열차의 추진을 위한 선형동기전동기 코일이 구비되며, 상기 지지단, 반발식 부상판, 반발식 안내판, 선형동기전동기 코일은 튜브의 길이 방향을 따라 설치되는 큐브와; 상기 선형동기전동기 코일 및 상기 반발식 안내판과 마주하는 열차의 하단부에 제1계자부가 구비되고, 상기 반발식 부상판과 마주하는 열차의 저면에 구비되는 부상력을 제공하는 제2계자부를 포함하여 구성되어 상기 튜브 내에서 운행되는 열차;로 구성된다.
자기부상열차, 공심형 추진시스템, 반발식, 선형동기전동기, 튜브

Description

추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템{Propulsion and Guidance Type Tube Transportation System }
본 발명은 아진공 상태의 튜브 내에서 반발식으로 부상 및 안내하고 공심형 추진 시스템과 안내 시스템이 일체형으로 형성되는 여객 및 화물을 운송하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템에 관한 것이다.
최근, 열차의 고속 주행을 위해서 열차를 자기에 의해 공중에 부상시킨 후 운송하는 것에 의해 마찰력에 의한 저항을 최소로 함으로써 초고속 운송을 가능하게 하기 위한 다양한 초고속 열차의 개발에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 초고속 열차로, 독일의 트랜스레피드(Transrapid), 일본의 MLX, 스위스의 스위스메트로(Swissmetro) 등이 있다.
도 1은 일본의 MLX를 나타내는 도면으로서, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, U형 궤도(5)의 측면에 부상 및 안내장치(6)와 선형동기전동기(7)를 설치하고, 열차(T)에 차상전자석(8)을 설치하여 열차가 고속으로 주행하도록 구성된다.
이와 같이 구성된 MLX는 도 2의 (b) 및 도 2의 (c)와 같이 차상전자석(8)이 반발력에 의해 부상 및 안내장치(6)와 선형동기전동기(7)와 상호작용하는 것에 의해 부상, 안내 및 추진력이 제어되어 열차(T)가 고속 주행하도록 구성된다.
그러나, 상기 일본의 MLX는 지상에 설치되어 운행되는 것으로, 공기 저항 및 소음으로 인해 열차를 초고속으로 운행하기 어려운 문제점이 있다.
도 2는 스위스의 스위스메트로(Swissmetro)를 나타낸 도면으로, 독일의 트랜스레피드와 유사한 구조를 가진다. 상기 스위스메트로는 튜브(10)를 아진공 상태로 하고, 상기 튜브(10)의 내측 상부에 열차에서 사용되는 전력을 공급하기 위한 유도급전레일(12)이 구비되고 상기 유도급전레일(12)과 대향하도록 유도급전기(22)가 열차(20)에 형성되어 전력을 공급받고, 상기 열차(20)의 양측면에 부상장치(24)와 안내장치(14)를 설치하여 상기 튜브(10)의 양측면으로부터 흡인식에 의해 열차(20)를 부상시킨 후 선형동기전동기(26)를 이용하여 추진되어 고속 주행하도록 한다.
상기 스위스메트로의 흡인식으로 부상 및 안내가 이루어지는 튜브 운송 시스템은, 아진공 상태의 튜브(10) 내에서 열차(20)가 운행되므로 공기 저항 및 소음에서 오는 속도의 한계를 극복할 수 있으나, 흡인식 부상에 필요한 공극(gap)을 유지하는데 매우 정밀한 제어가 요구되고, 이러한 정밀 제어를 하기 위해서는 튜브 구조물에 대한 정밀시공이 요구되어 공사비가 기하급수적으로 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 일반 지하구간이 아닌 해저터널과 같이 특수한 상황에서 터널을 바다 속에서 부양시킬 경우, 조류에 의한 튜브의 유동에 대처하기 힘든 문제점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,
공기 저항을 줄이기 위한 아진공 상태의 튜브의 하부 양측면으로부터 돌출되어 튜브의 길이 방향으로 형성되는 지지단의 측면에는 공심형 선형동기전동기(LSM : Linear Synchronous Motor)의 지상 코일을 설치하고, 이에 대향하는 열차의 저면 중앙의 일정부분이 돌출되어 형성되는 하단부의 양측면에는 계자부를 구비하여 공심형 추진 시스템으로 추진력을 제공하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 공심형 선형동기전동기 지상 코일이 설치되는 튜브의 지지단의 측면에 비자성 도체판을 형성하여 상기 열차의 계자부에서 나오는 자장이 반발력을 발생하여 안내(guidance)를 수행하도록 구성되어 초고속 주행이 가능하게 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 튜브의 내측 하부에 형성되는 지지단과, 상기 지지단의 상부에 구비되어 열차의 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판과, 상기 지지단의 측면에 구비되어 열차를 안내하기 위한 반발식 안내판과, 상기 지지단의 측면에 열차의 추진을 위한 선형동기전동기 코일이 구비되며, 상기 지지단, 반발식 부상판, 반발식 안내판, 선형동기전동기 코일은 튜브의 길이 방향을 따라 설치되는 큐브와;
상기 선형동기전동기 코일 및 상기 반발식 안내판과 마주하는 열차의 하단부에 제1계자부가 구비되고, 상기 반발식 부상판과 마주하는 열차의 저면에 구비되는 부상력을 제공하는 제2계자부를 포함하여 구성되어 상기 튜브 내에서 운행되는 열차;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열차의 하단부에 구비되는 제1계자부는, 열차의 안내를 위한 튜브의 반발식 안내판 및 열차의 추진력을 제공하기 위한 튜브의 선형동기전동기 코일과 상호동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 튜브의 지지단에 구비되는 선형동기전동기 코일은, 권선 시행된 공심형 선형동기전동기 코일로 구성된다.
또한, 상기 공심형 선형동기전동기 코일은 열차의 속도에 따라서 부상력의 크기가 변화하여 열차의 위치가 이동하여도 열차에 추진력을 제공할 수 있도록 엔드턴을 넓게 구성한다.
그리고, 상술한 튜브에는 열차로 전력을 공급하기 위한 유도급전레일이 튜브의 길이방향을 따라 설치되고, 상기 열차에는 상기 유도급전레일과 대향하는 위치에 유도급전장치가 구비되며, 상기 유도급전레일과 유도급전장치는 서로 접촉하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 튜브의 공간을 최대한으로 활용하기 위해 상기 지지단의 내부에는 선형동기전동기 코일에 인가되는 전력을 공급하기 위한 급전선과, 열차의 이동에 따라 전력을 공급하는 섹션 전환용 스위치 기어가 설치된다.
그리고, 상기 반발식 안내판과 반발식 부상판은 상기 지지단에 매입되는 형태로도 구성될 수 있다.
상기 튜브는 상단부가 반원의 형태로 구성되어 튜브의 제작 또는 건설의 용이성을 꾀할 수 있다.
상기의 구성을 갖는 본 발명은, 열차의 저면에 구비되어 부상력을 제공하기 위한 제2계자부와 튜브의 지지단의 상단에 구비된 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판을 이용하여 반발식 부상을 달성하고, 열차의 저면 중앙의 일정부분이 돌출되어 형성되는 하단부의 양측면에 제1자계부를 구비하고 상기 제1자계부와 대향하는 위치에 튜브의 지지단의 양측면에 구비되는 공심형 선형동기전동기 지상 코일에 의해 추진되도록 하고, 동시에 상기 제1자계부와 상기 지지단의 양측면에 반발식 안내판을 구비하여 상기 제1계자부와 상호작용하여 열차가 안내되도록 구성하여, 추진과 안내가 일체형으로 이루어져, 안내를 하기 위한 자장을 형성하는 자계원을 따로 구성하지 않아도 되므로, 열차의 구성요소를 간소화할 수 있으며 제작 비용 또한 절감시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템은, 부상의 갭(gap)을 정밀하게 제어해야 하는 흡인식 부상에 비해, 반발식으로 부상과 안내를 달성하여 튜브 시공 시의 건설비를 현저히 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 흡인력이 발생하는 철심형 선형동기전동기로 동작하는 추진 시스템과 달리, 열차의 계자부와 튜브의 지지단에 구비되는 공심형 선형동기전동기 지상 코일을 이용하는 추진 시스템을 사용하여, 추진과 안내를 일체형으로 구성하여도 흡인력이 안내 시스템에 영향을 주지 않는 효과가 있다.
본 발명은 상기 튜브의 지지단의 양측면에 구비되는 반발식 안내판과 열차의 제1계자부의 반발력에 의해, 열차 운행 시 열차가 한 쪽으로 편향되지 않고 열차가 상기 튜브의 지지단과 지지단 사이의 중앙에 위치하도록 유지시켜 주므로, 접촉에 대한 안전장치를 간략화할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 그 구성 및 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템(300)은 튜브(200)와, 튜브(200) 내부에서 운행되는 초고속 열차로서의 자기 부상 열차(100)로 구성된다.
상기 튜브(200)의 단면은 원 또는 타원 형상을 이루는 것이 일반적이며, 내부는 공기 저항을 줄이기 위해 아진공 상태를 유지하도록 구성한다. 상기 튜브(200)가 바다 속에서 부양시켜야 하는 해저 터널 등의 경우에는 원의 형상으로, 지상의 터널 등의 경우에는 상부만 원의 형상을 가지는 반원의 형상으로 구성할 수 도 있다. 상기 튜브(200)의 단면의 형상은 원 또는 원에 가까운 형상인 것으로 설명하였으나, 아진공 상태를 유지하여 열차의 이동에 따른 공기의 저항 및 소음을 감소할 수 있는 이상적인 형상을 가지는 것이 바람직하다.
상기 튜브(200)는, 튜브(200) 내부의 하부와 하부 양측면으로부터 중앙부를 향해 돌출되어 한 쌍을 이루며 튜브(200)의 길이 방향을 따라 구비되는 지지단(260)과, 상기 지지단(260)의 상부에 구비되는 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판(210)과, 상기 지지단(260)의 양측면에 구비되어 안내를 하기 위한 반발식 안내판(220)과, 상기 지지단(260)의 양측면에 구비되어 추진력을 제공하기 위한 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)과, 열차에 전력을 공급하기 위한 유도급전레일(250)로 구성된다.
상기 지지단(260)은 상기 튜브(200) 내부의 하부와 하부 양측면으로부터 중앙부를 향해 돌출되어 튜브(200)의 길이 방향을 따라 구비되어 한 쌍으로 형성되며, 반발식 부상판(210), 반발식 안내판(220), 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230), 유도급전레일(250)이 구비된다.
상기 반발식 부상판(210)은 상기 튜브(200)의 하부 양측면으로부터 중앙부를 향해 돌출되어 상기 튜브(200)의 하부와 수평을 이루는 상기 지지단(260)의 상부에, 열차의 저면 바깥쪽으로 구비되는 제2계자부(110)와 대향하는 위치에 구비되어, 상기 제2계자부(110)와 반발력을 발생시키도록 상호작용한다.
상기 튜브(200)의 하부로부터 중앙부를 향해 돌출되어 상기 튜브(200)의 하부와 수직을 이루는 상기 지지단(260)의 양측면에는, 튜브(200)의 길이 방향을 따 라서, 열차를 안내하기 위한 반발식 안내판(220)과 추진을 위한 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)이 구비된다.
상기 반발식 안내판(220)은 열차의 저면 중앙부로부터 돌출되어 형성하는 하단부의 양측면에 구비되는 제1계자부(130)와 대향하는 위치에 구비되며, 상기 열차(100)의 제1계자부(130)와 반발력을 발생시키도록 상호작용하여 열차를 안내한다.
상기 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판(210)과 안내에 사용되는 반발식 안내판(220)은 열차에 구비되는 제2계자부(110) 및 제1계자부(130)의 고속 이동 시 유도 전류에 의해 발생되는 자기장에 의해 상기 제1 및 제2 계자부와 반발하도록 하는 반발력을 생성하는 장치를 말한다.
상기 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)은, 열차의 저면 중앙부로부터 일부분이 돌출되어 형성되는 하단부의 양측면에 구비되는 제1계자부(130)와 대향하는 위치에 구비되며, 상기 열차의 제1계자부(130)와 상호작용하는 것에 의해 열차의 추진력을 제공하도록 한다.
상기 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)은 열차의 속도에 따라 변화하는 부상력에 영향을 받아 열차의 위치가 변동되어도 동작이 가능하도록 엔드턴을 넓게 설계하여 설치한다.
튜브(200)의 공간을 최대한으로 활용하기 위해 상기 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)에 인가되는 전력을 위한 급전선과, 열차의 이동에 따라 각 섹션 별로 전력을 공급하는 섹션 전환을 위한 스위치 기어(Switch gear)도 상기 지지 단(260)의 내부에 설치할 수 있다.
또한, 상기 반발식 안내판(220)과 반발식 부상판(210)은 비자성 도체판으로 구성할 수 있으며, 상기 지지단(260)에 매입되는 형상으로 구성될 수 있다.
상기 유도급전레일(250)은 상기 지지단에 구비되는 임의의 일 측의 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)의 아래측에 구비되는 것으로, 열차(100)에 구비되는 유도급전장치(150)와 대향하는 위치에 튜브(200)의 길이 방향을 따라서 설치된다.
다음으로, 열차(100)는 버섯 모양과 유사하며 버섯의 갓 부분에 해당하는 부분에는 객실 또는 화물칸이 구비되고, 자루 부분에 해당하는 하단부에는 기타 장치들이 구비된다.
상기 열차(100)는 저면 중앙의 일정부분이 돌출되어 형성되는 하단부의 외부 양측면에 구비되어 추진력과 횡방향 작용력을 제공하기 위한 제1계자부(130)와, 열차(100)의 저면 바깥쪽으로 양측에 하나씩 구비되어 반발식 부상에 사용되는 제2계자부(110)와, 상기 추진과 안내에 사용되는 제1계자부(130) 중 임의의 하나의 아래쪽에 구비되는 유도급전장치(150)와, 상기 유도급전장치(150)로부터 공급되는 전력을 열차 상에서 사용할 수 있도록 변환해주는 전력변환장치(120)와, 열차의 출발/정차 시 저속에서의 열차 지지 및 이동을 위한 보조바퀴(140)와, 열차의 상부에 구비되며 열차의 정확한 위치 제어 및 운행, 선형동기전동기의 구동을 위한 위치 정보를 송수신하는 통신장치(160)로 구성된다.
상기 보조바퀴(140)는, 상기 열차(100)의 저면의 양 바깥쪽에 구비되는 제2계자부(110)와 하단부 사이에 각각 하나씩 구비되며, 튜브(100)의 지지단(260)의 상부의 반발식 부상판(210)으로부터 중앙 부분에 가까운 측에 맞닿아 구름 운동을 한다.
상기 유도급전장치(150)는 상기 제1계자부(130)의 아래쪽에 상기 튜브(200)의 유도급전레일(250)에 대향하는 임의의 한쪽에 구비되어, 유도급저레일(250)과의 유도 작용에 의해 열차에서 사용되는 전력을 공급받아 전력변환장치(120)로 공급하는 역할을 한다.
상기 전력변환장치(120)는 열차의 저면 중앙의 일정부분이 돌출되어 형성되는 하단부(즉, 객실 또는 화물실의 바닥에)의 내부에 구비되어, 상기 열차에서 사용되는 공조 시스템, 초전도 또는 상전도 전류 공급장치, 보조전원장치 등에서 사용되는 전력으로 변환한다.
상기 통신장치(160)는 열차의 위치를 제어하기 위한 열차의 위치 정보 데이터, 운행에 관련된 각종 정보, 선형동기전동기의 구동을 위한 위치정보를 송수신하기 위한 장치로 열차의 상부에 구비된다.
상기 제1계자부(130)는 열차의 하단부의 외부 양측면에, 튜브(200)의 지지단(260)의 양측면에 구비된 안내를 위한 반발식 안내판(220)과, 추진을 위한 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)과 대향하는 위치에 구비된다.
상기 제1계자부(130)는 자장을 발생하여 상기 반발식 안내판(220)과 반발하도록 상호작용하여 열차를 안내한다.
만일, 열차(100)가 임의의 한쪽으로 편향하여, 편향하는 쪽의 공극(상기 제1계자부(130)와 상기 반발식 안내판(220) 사이의 공극)이 작아지고 이에 따라 반발력이 증가되어 열차를 밀어내게 되어 열차를 중앙에 위치하도록 한다. 즉, 공극의 차이에 의해 야기되는 반발력의 차이를 이용하여 열차가 어느 한쪽으로 편향하지 않고 안전하게 운행될 수 있도록 한다.
또한, 상기 제1계자부(130)는 튜브(200)의 지지단(260)의 양측면에 구비되는 추진을 위한 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)과도 상호작용하여 열차의 추진력을 제공한다.
즉, 열차(100)에 구비되는 제1계자부(130)는 튜브(200)의 반발식 안내판(220)과 공심형 선형동기전동기 지상 코일(230)과 상호작용할 수 있도록 구성된다.
상기 제2계자부(110)는 상기 튜브(200)의 지지단(260)의 상부에 구비되는 반발식 부상판(210)과 대향하는 위치에 구비되어, 상기 반발식 부상판(210)과 반발력을 발생시키도록 상호작용하여 열차를 부상시키는 역할을 한다.
상기 열차(100)에 구비되는 제2계자부(110)와, 추진력과 횡방향 작용력을 제공하기 위한 제1계자부(130)는 강한 자장을 위하여 초전도체에 의한 전자석 또는 영구자석(히토류 또는 Halbach식)으로서 고정 자극을 형성하도록 구성하는 자계 발생기를 말한다. 또한, 충분한 자성을 얻을 수 있다면 상전도 방식의 전자석을 사용할 수도 있다.
이상에서는 본 발명을 예를 들어 설명한 것으로서, 본 발명은 상술한 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 권리는 첨부된 특허청구범위에 기재된 바에 따라 결정된다. 또한, 해당 업계에 종사하는 자에 의하여 본 발명의 다양한 변형 예들이 실시될 수 있으나, 이는 모두 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 명백히 한다.
도 1은 반발식 부상 및 안내로 동작하는 일본의 MLX를 나타내는 도면이다.
도 2는 스위스메트로의 흡인식으로 부상 및 안내가 이루어지는 튜브 운송 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 열차 110 : 제2계자부
120 : 전력변환장치 130 : 제1계자부
140 : 보조바퀴 150 : 유도급전장치
160 : 통신장치 200 : 튜브
210 : 반발식 부상판 220 : 반발식 안내판
230 : 공심형 선형동기전동기 지상 코일
250 : 유도급전레일 260 : 지지단
300 : 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템

Claims (8)

  1. 튜브의 내측 하부 양측면에 형성되는 지지단의 측면에 구비된 선형동기전동기 코일 및 반발식 안내판과, 마주하는 위치에 열차에 구비되어 추진력과 횡방향 작용력을 제공하기 위한 제1계자부와,
    상기 튜브의 지지단의 상부에 구비된 반발식 부상판과 마주하며 열차의 저면에 구비되는 부상력을 제공하기 위한 제2계자부를 포함하여 구성되어 상기 튜브 내에서 운행하는 열차;로 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  2. 제 2항에 있어서,
    상기 제1계자부는,
    열차의 안내를 위한 튜브의 반발식 안내판과,
    열차의 추진력을 제공하기 위한 튜브의 선형동기전동기 코일;과 상호동작하는 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  3. 튜브의 내측 하부 양측면에 형성되는 지지단과, 상기 지지단의 상부에 구비되어 열차의 부상력을 제공하기 위한 반발식 부상판과, 상기 지지단의 측면에 구비 되어 열차를 안내하기 위한 반발식 안내판과, 상기 지지단의 측면에 열차의 추진을 위한 선형동기전동기 코일이 구비되고,
    상기 지지단과, 반발식 부상판과, 반발식 안내판과, 선형동기전동기 코일은 튜브의 길이 방향을 따라 설치되는 튜브;로 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 선형동기전동기 코일은 권선 시행된 공심형 선형동기전동기 코일인 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 공심형 선형동기전동기 코일은,
    열차의 속도에 따라 부상력의 크기가 변화하여도 열차에 추진력을 제공할 수 있도록 엔드턴을 넓게 구성한 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  6. 제 3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지단의 내부에는 선형동기전동기 코일에 인가되는 전력을 위한 급전선과, 열차의 이동에 따라 전력을 공급하는 섹션 전환용 스위치 기어가 설치되는 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  7. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반발식 안내판과 반발식 부상판은 상기 지지단에 매입되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
  8. 제 3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브는 상단부만 원의 형태를 가지는 반원의 형상인 것을 특징으로 하는 추진 및 안내 일체형 튜브 운송 시스템.
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