KR20140087675A - 전류각 제어를 위한 인버터를 갖는 자기부상 시스템 - Google Patents

전류각 제어를 위한 인버터를 갖는 자기부상 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 시스템은 자기력에 의하여 부상하여 이동하는 자기부상 시스템에 있어서, 이어져 설치된 궤도와, 상기 궤도 상에 설치되며 상기 궤도에 대하여 부상하여 이동하는 대차와, 상기 궤도에 고정 설치되며 상기 궤도의 길이 방향을 따라 이격 배치된 복수 개의 추진용 영구자석과, 상기 대차에 고정되며 상기 추진용 영구자석과 마주하도록 설치된 추진 전자석, 및 상기 추진 전자석에 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분과 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분을 포함하는 구동 전류를 인가하는 인버터를 포함한다.

Description

전류각 제어를 위한 인버터를 갖는 자기부상 시스템{MAGNETIC LEVITATION SYSTEM HAVING INVERTOR FOR CURRENT ANGLE}
본 발명은 자기부상 시스템에 관한 것으로서 보다 상세하게는 인버터를 갖는 자기부상 시스템에 관한 것이다.
자기부상 추진은 전기 자기력을 이용하여, 궤도로부터 일정한 높이로 부상하여 추진하는 것을 말한다. 자기부상 시스템은 궤도와 궤도 상에서 비접촉으로 부상 및 추진하는 대차를 포함한다.
자기부상 시스템은 대차와 궤도 사이에서 전자석에 의한 인력 또는 반발력을 응용하여, 대차를 궤도로부터 이격시킨 상태로 추진한다. 이와 같이 자기 부상 시스템은 궤도와 비접촉 상태로 추진하므로 소음 및 진동이 적고 고속 추진이 가능하다.
자기 부상 방법에는 자석의 인력을 이용하는 흡인식과, 자석의 반발력을 이용하는 반발식이 있다. 또한, 자기 부상의 부상 방법에는 전자석의 원리에 따라, 초전도 방식과 상전도 방식이 있다. 초전도 방식은 전기 저항이 없고 강한 자력을 얻을 수 있으므로 고속 열차에 적용하고, 상전도 방식은 중속도의 중단거리용 열차에 적용하고 있다.
자기부상 시스템을 구성하는 주요 힘 성분은 부상력, 추진력 그리고 안내력이며, 자기부상 전자석이 부상력을 담당하고, 선형전동기가 추진력을 담당하며, 안내 전자석이 안내력을 부담한다.
그러나 안내 전자석을 별도로 설치하면 설치 비용이 증가하고 차체가 무거워지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 추진력 및 안내력을 함께 발생시킬 수 있는 자기부상 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 시스템은 자기력에 의하여 부상하여 이동하는 자기부상 시스템에 있어서, 이어져 설치된 궤도와, 상기 궤도 상에 설치되며 상기 궤도에 대하여 부상하여 이동하는 대차와, 상기 궤도에 고정 설치되며 상기 궤도의 길이 방향을 따라 이격 배치된 복수 개의 추진용 영구자석과, 상기 대차에 고정되며 상기 추진용 영구자석과 마주하도록 설치된 추진 전자석, 및 상기 추진 전자석에 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분과 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분을 포함하는 구동 전류를 인가하는 인버터를 포함한다.
상기 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분은 q축 전류이고, 상기 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분은 d축 전류로 이루어질 수 있다.
상기 d축 전류의 세기는 상기 q축 전류의 세기의 5% 내지 30%의 범위로 이루어질 수 있다.
상기 구동 전류는 전류각을 갖고, 상기 인버터는 상기 구동 전류의 전류각을 제어하는 전류각 제어부를 포함할 수 있다.
상기 추진용 영구자석과 상기 추진 전자석은 지면에 대하여 세워져 배치되고, 상기 대차의 폭방향으로 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 추진용 영구자석은 상기 궤도의 양쪽 측단에 고정 설치되고, 상기 추진 전자석은 상기 대차의 폭방향 외측에서 각각 추진용 영구자석과 마주하도록 설치될 수 있다.
상기 궤도에 고정 설치되며 궤도의 길이방향을 따라 이어진 부상용 강자성체판과, 상기 부상용 강자성체판과 마주하도록 배치된 차량측 부상 전자석을 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 시스템은 구동 전류가 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분과, 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분을 포함하므로 추진 전자석을 이용하여 안내 전자석 없이도 안내기능을 수행할 수 있다.
또한, 추진력에 비례하여 안내력이 발생하므로 추진 속도가 높을 때에 강한 안내력이 발생하여 고속에서 안정적인 운행을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 추진용 영구자석과 추진 전자석을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 추진용 영구자석과 추진 전자석을 도시한 단면도이다.
도 5는 인버터와 추전 전자석 및 추진용 영구자석을 도시한 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 추진 전자석과 추진용 영구자석을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 자기부상 시스템(100)은 대차(110)와 대차(110)가 이동하는 궤도(120)를 포함한다.
본 실시예에 따른 대차(110)는 궤도(120) 상에 놓이거나 자기력에 의하여 궤도(120)로부터 부상하여 추진한다. 궤도(120)는 일방향으로 길게 이어져 형성되며, 상부에 형성된 거더(122)와 거더(122)의 아래에 배치되어 지면으로부터 거더(122)을 지지하는 기둥(121)을 포함한다. 거더(122)의 하면에는 부상용 강자성체판(127)이 고정 설치되며, 부상용 강자성체판(127)의 양쪽 가장자리에는 아래로 돌출된 돌기가 형성된다. 부상용 강자성체판(127)의 돌기는 아래에서 상술하는 차량측 부상 전자석(114)의 코어(114a)에 형성된 돌기와 마주하도록 배치된다.
또한 거더(122)의 측단에는 추진용 영구자석(171)이 설치되는 바, 복수개의 추진용 영구자석(171)이 궤도의 길이 방향을 따라 배열된다. 또한, 서로 다른 자성을 갖는 추진용 영구자석(171)이 궤도(120)의 길이 방향을 따라 교대로 배열된다.
대차(110)는 대차 상판(150)과 대차 상판(150)의 아래에 배치된 보기 프레임(112)을 포함하며, 4개의 보기 프레임(112)이 대차 상판(150)의 아래에서 대차 상판을 지지한다. 대차 상판(150)과 보기 프레임(112) 사이에는 대차 상판(150)을 지지하며 충격을 흡수하는 댐퍼(140)가 설치된다. 보기 프레임(112)에는 기둥(121)을 향하여 돌출된 브라켓(113)이 설치되며, 브라켓(113)에는 차량측 부상 전자석(114)이 부상용 강자성체판(127)과 대향하도록 설치된다.
차량측 부상 전자석(114)은 코어(114a)와 코어(114a)의 외주를 감싸도록 설치된 코일(114b)을 포함한다. 코어(114a)는 홈을 사이에 두고 두 개의 돌기들이 이격 형성된 구조로 이루어지며 이 돌기들에 코일(114b)이 감겨진다. 차량측 부상 전자석(114)은 부상용 강자성체판(127)과 마주하여 차량측 부상 전자석(114)이 부상용 강자성체판(127)을 끌어당겨서 부상력이 발생한다.
보기 프레임(112)은 마주하는 보기 프레임(112)을 향하여 돌출된 상부 지지부(112a)와 상부 지지부(112a)에서 하부로 이어진 측면 지지부(112b)를 포함한다.
측면 지지부(112b)의 내측면에는 추진 전자석(160)이 고정 설치된다. 추진 전자석(160)은 복수 개의 코어(161)를 갖는 바, 코어(161)에는 코어(161)를 감싸는 코일(162)이 설치된다. 추진 전자석(160)은 지면에 대하여 수직으로 세워져 배치되며 대차(110)의 측방향 양측에 각각 추진 전자석(160)이 배치된다.
추진용 영구자석(171)은 거더(122)의 측단에 고정 설치치는 바, 추진용 영구자석(171)은 지면에 대하여 수직인 방향으로 세워져 배치된다. 또한, 추진용 영구자석(171)은 추진 전자석(160)에서 소정 간격 이격되어 마주하도록 배치되며, 복수개의 추진용 영구자석들(171)이 궤도(120)의 길이방향을 따라 배열된다. 또한 추진용 영구자석(171)은 N극과 S극을 갖는 영구자석을 포함하며, 서로 다른 극성을 갖는 영구자석들이 교대로 추진 전자석과 마주하도록 배치된다.
이 때, 추진 전자석(160)과 추진용 영구자석(171)이 서로 끌어 당겨서 추진력을 발생시킨다. 여기서 추진 전자석(160)과 추진용 영구자석(171)이 선형동기모터를 이룬다.
한편, 본 실시예에 따른 자기부상 시스템(100)은 추진 전자석(160)에 구동 전류를 인가하는 인버터(180)를 더 포함한다. 인버터(180)는 대차(110)에 고정 설치되며 q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)를 포함하는 구동 전류를 발생시킨다. q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)는 90도의 위상차이를 갖는 전류로서 q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)에 따라서 3상 전류가 결정된다.
인버터(180)는 추진 전자석(160)에 연결되어 코일(162)에 전류각을 갖는 구동 전류를 인가하며 구동 전류는 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분과 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분을 포함한다. 이때, q축 전류(Iq)가 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분이 되고 d축 전류(Id)가 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분이 된다. 한편, 구동 전류는 q축 전류(Iq)와 d축 전류(Id)에 의하여 전류각(θ)을 갖게 되는 바, 전류각(θ)은 아래의 [수학식 1]과 같이 정의된다.
[수학식 1]
θ=arctan(Iq/Id)
도 3에 도시된 바와 같이 q축 전류(Iq)는 대차(110)의 진행방향으로 추진력(Fp)을 발생시키며, d축 전류(Id)는 추진 전자석(160)과 추진용 영구자석(171) 사이에서 끌어 당기는 안내력(Fg)을 발생시킨다.
추진 전자석(160)과 추진용 영구자석(171)이 상하방향으로 마주하는 것이 아니라 대차의 폭방향으로 마주하도록 배치되고 거더(122)의 양쪽 측단에 추진용 영구자석(171)이 배치되므로 대차(110)의 폭방향 양쪽 가장자리에서 안내력을 작용시킬 수 있다. 이에 따라 안내력(Fg)에 의하여 대차(110)가 어느 한 방향으로 치우치지 않고 중앙에 위치하도록 제어된다.
한편, 인버터(180)는 전류각 제어부(181)를 포함하는 바, 전류각 제어부(181)가 구동 전류의 전류각(θ)을 조절하여 추진력과 안내력의 균형을 제어한다. 전류각 제어부(181)에 의하여 구동 전류의 전류각(θ)이 제어되며 전류각(θ)에 따라서 추진력(Fp)과 안내력(Fg)의 상대 크기가 정해진다. 즉, 구동 전류의 세기가 일정할 경우, d축 전류(Id)가 커지면 안내력(Fp)이 증가하고 추진력이 감소하며 d축 전류(Id)가 작아지면 안내력이 감소하고 추진력이 증가한다. 한편, 구동 전류의 절대값이 커지면 안내력과 함께 추진력도 증가하게 된다.
d축 전류(Id)의 세기는 q축 전류(Iq)의 세기의 5% 내지 30%의 범위로 설정될 수 있다. 본 실시예와 같이 선형 동기 전동기에 d축 전류(Id)는 q축 전류(Iq)를 인가하면 추진 전자석(160)과 추진용 영구자석(171) 사이에 추진력과 함께 안내력이 발생하여 별도의 안내 전자석의 설치 없이도 대차(110)를 폭방향으로 조절할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 자기부상 시스템 110: 대차
112: 보기 프레임 113: 브라켓
114: 차량측 부상 전자석 120: 궤도
121: 기둥 122: 거더
127: 부상용 강자성체판 140: 댐퍼
150: 대차 상판 160: 추진 전자석
161: 코어 162: 코일
171: 추진용 영구자석 180: 인버터
181: 전류각 제어부

Claims (7)

  1. 자기력에 의하여 부상하여 이동하는 자기부상 시스템에 있어서,
    이어져 설치된 궤도;
    상기 궤도 상에 설치되며 상기 궤도에 대하여 부상하여 이동하는 대차;
    상기 궤도에 고정 설치되며 상기 궤도의 길이 방향을 따라 이격 배치된 복수 개의 추진용 영구자석;
    상기 대차에 고정되며 상기 추진용 영구자석과 마주하도록 설치된 추진 전자석; 및
    상기 추진 전자석에 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분과 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분을 포함하는 구동 전류를 인가하는 인버터;
    를 포함하는 자기부상 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 추진력을 발생시키는 전류벡터 성분은 q축 전류이고, 상기 안내력을 발생시키는 전류벡터 성분은 d축 전류인 자기부상 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 d축 전류의 세기는 상기 q축 전류의 세기의 5% 내지 30%의 범위인 자기부상 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 구동 전류는 전류각을 갖고, 상기 인버터는 상기 구동 전류의 전류각을 제어하는 전류각 제어부를 포함하는 자기부상 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 추진용 영구자석과 상기 추진 전자석은 지면에 대하여 세워져 배치되고, 상기 대차의 폭방향으로 마주하도록 배치된 자기부상 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 추진용 영구자석은 상기 궤도의 양쪽 측단에 고정 설치되고, 상기 추진 전자석은 상기 대차의 폭방향 외측에서 각각 추진용 영구자석과 마주하도록 설치된 자기부상 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 궤도에 고정 설치되며 궤도의 길이방향을 따라 이어진 부상용 강자성체판과, 상기 부상용 강자성체판과 마주하도록 배치된 차량측 부상 전자석을 포함하는 자기부상 시스템.
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