KR20220014544A - 자기부상열차의 제어장치 - Google Patents

자기부상열차의 제어장치 Download PDF

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최수용
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임정열
조정민
이창영
이관섭
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한국철도기술연구원
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Abstract

자기부상열차의 제어장치를 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 자기부상열차(magnetic levitation train)의 하부에 배치되어 자기부상열차의 이동을 안내(guide)하는 지상궤도(ground railroad); 지상궤도에 고정 설치되고, 지상궤도의 길이방향을 따라 배치되는 3상(3-phase)의 지상코일(ground coil); 자기부상열차에 지상코일과 마주하도록 형성되어 부상력(levitation force) 및 추진력(propulsive force)을 발생시키도록 구성된 전자석(electromagnet); 및 지상코일에 인가되는 전류의 위상(phase) 및 세기(magnitude)를 제어하도록 구성되는 적어도 하나의 제어기(controller)를 포함하되, 지상코일은, 지상궤도의 정중앙을 기준으로 좌측에 배치되는 좌측 지상코일(left side ground coil); 및 지상궤도의 정중앙을 기준으로 우측에 배치되는 우측 지상코일(right side ground coil)을 포함하고, 전자석과 좌측 지상코일 및 전자석과 우측 지상코일 간의 추진력의 차이를 이용하여 안내력(guide force)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치를 제공한다.

Description

자기부상열차의 제어장치{Apparatus for Controlling Magnetic Levitation Train}
본 개시는 자기부상열차의 제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 자기부상열차의 추진, 부상 및 안내를 제어할 수 있는 자기부상열차의 제어장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
자기부상열차 기술은 EMS(Electro Magnetic Suspension) 방식과 EDS(Electro Dynamic Suspension) 방식으로 양분되어 있다. EMS 방식은 상전도 흡인식 부상기술(normal-conducting suction type levitation technology)로서, 독일의 트랜스라피드(transrapid) 열차에 적용된 기술이다. 한편, EDS 방식은 초전도 반발식 부상기술(superconducting repulsive type levitation technology)로서, 일본의 MLX(Magnetic Levitation X) 열차에 적용된 기술이다.
상전도 흡인식은 강자성체와 전자석 간에 발생하는 흡인력을 이용한다. 전자석에 전류를 흘려 전자석이 레일에 붙으려는 힘을 이용해 차량을 띄우는 것이다. 레일과 전자석 사이에 공극(air gap)을 항상 일정하게 유지시켜주기 위해서 전자석이 레일에 가까이 가면 전류를 낮추고, 멀리 떨어지면 전류를 높여 공극을 유지시킨다. 따라서 일정한 공극을 유지하기 위해서는 부상력을 생성하기 위한 별도의 코일 및 제어기가 필요하다.
초전도 반발식은 패러데이 법칙(Faraday's law)에 의해 발생된 유도전류로 부상력과 안내력을 생성한다. 상전도 흡인식과는 달리 부상, 안내를 위한 별도의 제어기를 요구하지 않는다. 하지만 정지 또는 저속 주행 시에는 유도전류가 작아서 부상력과 안내력을 충분히 발생하지 못하기 때문에, 추가적인 장치, 예컨대 주행바퀴 및 안내장치 등이 필요하다.
위와 같이, 기존의 선행기술들은 자기부상열차의 추진, 부상 및 안내를 개별적으로 제어할 수 없고, 별도의 장치를 필요로 한다는 문제가 있다. 따라서, 기존의 추진용 코일 및 제어기를 이용하여 자기부상열차의 추진, 부상 및 안내를 모두 제어할 수 있는 자기부상열차 시스템이 필요하다.
이에, 본 개시는 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 추진용 코일 및 추진제어기만을 이용하여 안내 및 부상을 위한 별도의 코일 및 제어기 추가 없이도 자기부상열차의 추진(propulsion), 부상(levitation) 및 안내(guidance)를 모두 제어할 수 있는 자기부상열차의 제어장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시예에 의하면, 자기부상열차(magnetic levitation train)의 하부에 배치되어 상기 자기부상열차의 이동을 안내하는 지상궤도(ground railroad); 상기 지상궤도에 고정 설치되고, 상기 지상궤도의 길이방향을 따라 배치되는 3상(3-phase)의 지상코일(ground coil); 상기 자기부상열차에 상기 지상코일과 마주하도록 형성되어 부상력(levitation force) 및 추진력(propulsive force)을 발생시키도록 구성된 전자석(electromagnet); 및 상기 지상코일에 인가되는 전류의 위상(phase) 및 세기(magnitude)를 제어하도록 구성되는 적어도 하나의 제어기(controller)를 포함하되, 상기 지상코일은, 상기 지상궤도의 정중앙을 기준으로 좌측에 배치되는 좌측 지상코일(left side ground coil); 및 상기 지상궤도의 정중앙을 기준으로 우측에 배치되는 우측 지상코일(right side ground coil)을 포함하고, 상기 전자석과 상기 좌측 지상코일 및 상기 전자석과 상기 우측 지상코일 간의 추진력의 차이를 이용하여 안내력(guide force)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 기존의 자기부상시스템과 달리 안내 및 부상을 위한 별도의 추가적인 코일 및 제어기 없이도, 기존의 추진용 코일과 제어기의 조합만으로 자기부상열차의 추진, 부상 및 안내를 모두 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치를 자기부상열차의 정면에서 바라본 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 부상력을 발생시키는 원리를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 추진력을 발생시키는 원리를 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 안내력을 발생시키는 원리를 나타내는 상면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 추진력 및 부상력을 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 부상력은 유지하면서 추진력을 증가시키도록 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 이용해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치를 자기부상열차의 정면에서 바라본 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치는 지상궤도(ground railroad, 140), 지상코일(ground coil, 160), 전자석(electromagnet, 120), 제어기(controller, 180)의 전부 또는 일부를 포함한다.
지상궤도(140)는 자기부상열차(magnetic levitation train, 100)의 하부에 배치되어 자기부상열차(100)의 이동을 안내(guide)한다. 따라서, 자기부상열차(100)는 지상궤도(140)가 설치된 방향을 따라 이동하게 된다.
지상코일(160)은 지상궤도(140)에 고정 설치되며, 지상궤도(140)의 길이방향을 따라 배치된다. 지상코일(160)은 3상(3-phase)의 선형동기모터(LSM: Linear Synchronous Motor) 코일(coil)을 이용하여 구성될 수 있다. 이 경우, 코일의 형태는 중심부가 비어있는 공심형(air cored)으로 이루어질 수 있다. 또한, 지상코일(160)은 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 좌측에 배치되는 좌측 지상코일(left side ground coil, 162) 및 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 우측에 배치되는 우측 지상코일(right side ground coil, 164)을 포함할 수 있다.
도 1의 (a)를 참조하면, 도 1의 (a)는 EMS(Electro Magnetic Suspension) 방식을 이용한 자기부상열차(100)의 형태이고, 이 경우 지상코일(160)은 지상궤도(140)의 하단면에 형성될 수 있다. 여기서, 지상궤도(140)의 상단면(top face)이란 지상궤도(140)를 기준으로 자기부상열차(100)가 위치하는 방면의 면(face)을 말하며, 지상궤도(140)의 하단면(bottom face)이란 상단면의 반대 방면에 위치하는 방면의 면을 말한다.
도 1의 (b)를 참조하면, 도 1의 (b)는 EDS(Electro Dynamic Suspension) 방식을 이용한 자기부상열차(100)의 형태이고, 이 경우 지상코일(160)은 지상궤도(140)의 상단면에 형성될 수 있다.
전자석(120)은 자기부상열차(100)에 지상코일(160)과 마주하도록 형성되어 부상력(levitation force) 및 추진력(propulsive force)을 발생시키도록 구성된다. 지상코일(160)에 전류가 인가되면 지상코일(160)은 자성(magnetism)을 띠게 되고, 마찬가지로 자기부상열차(100)에 구비된 전자석(120)에도 전류가 인가되면 자성을 띠게 된다. 따라서, 전자석(120) 및 지상코일(160)에 인가되는 전류를 제어함으로써, 각각의 극성이 같도록 또는 상이하도록 조절할 수 있고, 전자석(120)과 지상코일(160)은 서로 마주하고 있으므로 이들 사이에서 인력(attractive force) 또는 척력(repulsive force)이 발생한다. 발생된 인력 또는 척력을 이용하여 자기부상열차(100)의 부상력 및 추진력을 얻을 수 있다.
도 1의 (a)를 참조하면, 자기부상열차(100)의 부상력은 전자석(120) 및 지상코일(160) 간의 인력에 의해 발생하며, 이 경우 전자석(120)은 상전도 전자석(normal-conducting electromagnet)으로 구성될 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 자기부상열차(100)의 부상력은 전자석(120) 및 지상코일(160) 간의 척력에 의해 발생하며, 이 경우 전자석(120)은 초전도 전자석(superconducting electromagnet)으로 구성될 수 있다.
제어기(180)는 지상코일(160)에 인가되는 전류의 위상(phase) 및 세기(magnitude)를 제어하도록 구성된다. 지상코일(160)에 인가되는 전류는 별도의 전원공급기(power supply unit, 미도시)로부터 공급될 수 있다. 제어기(180)는 예컨대, 3상 인버터(3-phase inverter)를 제어함으로써, 직류로 공급되는 전원을 교류로 변환시켜 지상코일(160)에 공급되도록 제어할 수 있다.
제어기(180)는 1개로 구성될 수도 있으나, 지상코일(160)이 좌측 지상코일(162) 및 우측 지상코일(164)을 포함하므로, 좌측 지상코일(162)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어하는 좌측 제어기(left-side controller, 182) 및 우측 지상코일(164)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어하는 우측 제어기(right-side controller, 184)와 같이 2개로 구성됨이 바람직하다. 이 경우, 전원공급기도 좌측 지상코일(162)에 전류를 공급하도록 구성된 좌측 전원공급기 및 우측 지상코일(164)에 전류를 공급하도록 구성된 우측 전원공급기를 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 부상력을 발생시키는 원리를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 추진력을 발생시키는 원리를 나타내는 측면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 (b)와 같은 방식, 즉 EDS 방식을 이용한 자기부상열차의 형태를 나타내고 있으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 추진력 및 부상력을 발생시키는 원리는 도 1의 (a)와 같은 방식, 즉 EMS 방식을 이용한 자기부상열차의 형태에도 적용될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 지상코일(160)은 서로 다른 위상을 갖는 복수 개의 코일이 지상궤도(140)에 주기적으로 반복되도록 배치될 수 있다. 예컨대, 지상코일(160)은 제1 지상코일(first ground coil, 162_1), 제2 지상코일(second ground coil, 162_2) 및 제3 지상코일(third ground coil, 162_3)을 포함하고, 제1 지상코일(162_1)은 a 상, 제2 지상코일(162_2)은 b 상, 제3 지상코일(162_3)은 c 상을 가지도록 형성되어 a, b, c 상이 주기적으로 반복되도록 설치될 수 있다. 이때, 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 하나의 극을 형성하게 된다. 즉, 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)에 인가되는 전류의 위상은 각기 다르지만, 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 전체로서 N 극 또는 S 극을 형성하게 된다. 또한, 좌측 지상코일(162)과 우측 지상코일(164)은 같은 횡축(transverse axis)상에 위치하는 지상코일(160)이 같은 극을 형성하도록 구성되는 것이 바람직하다.
도 2의 (a)를 참조하면, 전자석(120)은 자기부상열차(100)의 전방 및 후방에 각각 하나씩 배치될 수 있고, 전방에 형성되는 전자석(120)은 N 극, 후방에 형성되는 전자석(120)은 S 극을 형성한다. 다만, 전방 및 후방에 배치되는 극성은 상황 및 목적에 따라 용이하게 변경이 가능하고, 반드시 전방에 N 극, 후방에 S 극이 형성되어야 하는 것은 아니다.
자기부상열차(100)가 부상하기 위해서는 N 극이 형성된 전자석(120) 하부에는 N 극이 형성된 지상코일(160)이 배치되어야 하고, S 극이 형성된 전자석(120) 하부에는 S 극이 형성된 지상코일(160)이 배치되어야 한다. 따라서, 자기부상열차(100)의 후방측에 위치하는 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 전체로서 S 극을 형성하도록 제어되어야 하고, 자기부상열차(100)의 전방측에 위치하는 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 전체로서 N 극을 형성하도록 제어되어야 한다.
도 2의 (b)를 참조하면, 도 2의 (a)와 같이 자기부상열차(100)를 부상시키기 위해서는 추진력은 없고, 부상력은 최대가 되도록 지상코일(160)에 인가되는 전류의 위상을 제어해야 한다. 따라서, 선형동기모터의 부하각(load angle)이 180°가 되도록 제어한다면, 부상력만을 최대로 얻을 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 도 2의 (a)와 마찬가지로 전자석(120)은 자기부상열차(100)의 전방 및 후방에 각각 하나씩 배치될 수 있고, 전방에 형성되는 전자석(120)은 N 극, 후방에 형성되는 전자석(120)은 S 극을 형성한다. 마찬가지로, 전방 및 후방에 배치되는 극성은 상황 및 목적에 따라 용이하게 변경이 가능하고, 반드시 전방에 N 극, 후방에 S 극이 형성되어야 하는 것은 아니다.
자기부상열차(100)가 추진되기 위해서는 N 극이 형성된 전자석(120) 하부에는 N 극의 전자석(120)을 중심으로 후방에는 N 극, 전방에는 S 극이 형성된 지상코일(160)이 배치되어야 한다. 또한, S 극이 형성된 전자석(120) 하부에는 S 극의 전자석(120)을 중심으로 후방에는 S 극, 전방에는 N 극이 형성된 지상코일(160)이 배치되어야 한다. 따라서, 자기부상열차(100)의 전방 및 후방측에 위치하는 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 전체로서 S 극을 형성하도록 제어되어야 하고, 자기부상열차(100)의 중앙에 위치하는 제1 지상코일(162_1), 제2 지상코일(162_2) 및 제3 지상코일(162_3)은 전체로서 N 극을 형성하도록 제어되어야 한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 도 3의 (a)와 같이 자기부상열차(100)를 부상시키기 위해서는 부상력은 없고, 추진력은 최대가 되도록 지상코일(160)에 인가되는 전류의 위상을 제어해야 한다. 따라서, 선형동기모터 코일의 부하각이 90°가 되도록 제어한다면, 추진력만을 최대로 얻을 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 안내력을 발생시키는 원리를 나타내는 상면도이다.
도 4는 도 4의 (a)와 같이 EDS 방식을 이용한 자기부상열차의 형태를 나타내고 있으나, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 안내력을 발생시키는 원리는 EMS 방식을 이용한 자기부상열차의 형태에도 적용될 수 있다.
도 4의 (a)는 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙에 위치하여 주행하는 예를 나타내지만, 도 4의 (b)를 참조하면, 자기부상열차(100)는 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 좌측으로 치우쳐 있다. 자기부상열차(100)의 탈선(derailment)을 막기 위해서는 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙에 위치하여 주행되는 것이 바람직하다. 예컨대, 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 좌측으로 치우친 경우, 좌측 지상코일(162) 및 전자석(120) 간에 발생하는 추진력을 증가시켜 요 모멘트(yaw moment)를 발생시킴으로써, 자기부상열차(100)를 지상궤도(140)의 정중앙에 위치시킬 수 있다. 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 우측으로 치우친 경우에도, 우측 지상코일(164) 및 전자석(120) 간에 발생하는 추진력을 증가시켜 요 모멘트를 발생시킴으로써, 자기부상열차(100)를 지상궤도(140)의 정중앙에 위치시킬 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치는 전자석(120)과 좌측 지상코일(162) 및 전자석(120)과 우측 지상코일(164) 간의 추진력의 차이를 이용하여 안내력(guide force)를 발생시킬 수 있다. 즉, 기존 자기부상열차의 추진을 위해 사용되는 추진용 코일을 그대로 이용하면서, 안내력 발생을 위한 추가적인 장치 없이도 자기부상열차의 안내력을 얻을 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치는 자기부상열차(100)의 횡방향(TD: Transverse Direction) 위치를 감지하도록 구성된 횡위치센서(transverse position sensor, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 횡위치센서는 자기부상열차(100)에 구비될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 지상궤도(140) 상에 위치할 수도 있다. 횡위치센서는 자기부상열차(100)의 횡방향 위치를 감지함으로써, 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 좌측 또는 우측으로 치우쳐져 있는지 여부를 감지한다.
제어기(180)는 횡위치센서가 감지한 자기부상열차(100)의 횡방향 위치를 기초로 지상코일(160)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어할 수 있다. 예컨대, 횡위치센서에 의해 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 좌측으로 치우쳤다고 감지된 경우, 좌측 제어기(182)는 횡위치센서가 감지한 위치정보를 전달받아 이를 기초로 좌측 지상코일(162)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어한다. 횡위치센서에 의해 자기부상열차(100)가 지상궤도(140)의 정중앙을 기준으로 우측으로 치우쳤다고 감지된 경우에도, 우측 제어기(184)는 횡위치센서가 감지한 위치정보를 전달받아 이를 기초로 우측 지상코일(164)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치는 횡위치센서 이외에도 전자석(120) 및 지상코일(160) 간의 수직거리(vertical distance)를 측정하도록 구성된 수직센서(vertical sensor, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어기(180)는 수직센서가 감지한 전자석(120) 및 지상코일(160) 간의 수직거리를 기초로 그 거리가 기설정된값으로 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 즉, 지상코일(160)에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어하여 부상력의 크기를 조절함으로써, 자기부상열차(100)가 일정한 높이를 유지하면서 안전하게 주행할 수 있도록 한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 추진력 및 부상력을 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치가 부상력은 유지하면서 추진력을 증가시키도록 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 인가되는 전류의 세기 및 위상을 제어하여 선형동기모터의 부하각을 조절하면, 추진력, 부상력 및 안내력을 각각 제어할 수 있다. 예컨대, 인가되는 전류의 총 세기는 일정한 상태에서, 도 5의 (a)와 같이 부하각이 90°가 되도록 인가되는 전류의 위상을 제어하는 경우, 부상력은 0 이고, 추진력은 최대가 될 수 있다. 자기부상열차(100)가 정지한 상태에서 부상한 직후 가속되는 상황에서 이와 같은 제어가 이루어질 수 있다.
도 5의 (b)와 같이 부하각이 180°가 되도록 인가되는 전류의 위상을 제어하는 경우, 부상력이 최대가 되고, 추진력은 0 이 될 수 있다. 자기부상열차(100)가 완전히 정지하여 승객이 승하차하는 전후의 상황에서 이와 같은 제어가 이루어질 수 있다.
도 5의 (c)와 같이 부하각이 135°가 되도록 인가되는 전류의 위상을 제어하는 경우, 추진력 및 부상력은 동일한 크기를 가지면서 주행할 수 있다. 자기부상열차(100)가 주행하고 있는 상황에서 이와 같은 제어가 이루어질 수 있다.
부하각이 180°~ 270°가 되도록 제어하는 상황은 도시되어 있지 않으나, 부하각이 180°~ 270°가 되도록 제어하는 것도 가능하며, 이 경우는 역추진력, 즉 추진력이 음의 값을 가지게 되므로 자기부상열차(100)의 제동이 필요한 상황에서는 이와 같은 제어가 이루어질 수도 있다.
도 6의 (a)는 도 5의 (c)와 마찬가지로 자기부상열차(100)가 주행하고 있는 상황을 나타내는 일 예시가 될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 인가되는 전류의 세기를 예컨대, 약 2배 증가시키도록 제어하고 부하각은 120°가 되도록 전류의 위상을 제어하는 경우, 도 6의 (b)와 같이 부상력은 종전과 동일하게 유지하면서 추진력만을 증가시킬 수 있다. 즉, 전자석(120)과 좌측 지상코일(162) 간의 부상력은 유지하면서 추진력을 증가시키도록 제어할 수 있다. 이와 같이 전자석(120)과 어느 좌측 지상코일(162) 간의 추진력만을 증가시킴으로써, 양 측의 추진력 차이로 인해 요 모멘트가 발생되고, 자기부상열차(100)가 요 모멘트를 받아 지상궤도(140)의 정중앙에 위치하게 되므로, 자기부상열차(100)의 안내력을 제어할수 있다. 전자석(120)과 우측 지상코일(164) 간의 부상력은 유지하면서 추진력을 증가시키는 것도 마찬가지로 가능하다. 또한, 안내력의 크기는 자기부상열차(100) 양측에 작용하는 추진력의 차이값을 조절함으로써 제어할 수 있다.
추진력을 종전과 동일하게 유지하면서 부상력만을 증가시키는 상황은 도시되어 있지 않으나, 이러한 제어도 가능하며, 인가되는 전류의 세기를 예컨대, 약 2배 증가시키도록 제어하고 부하각은 150°가 되도록 전류의 위상을 제어하는 경우 추진력을 동일하게 유지하면서 부상력만을 증가시킬 수도 있다. 특히, 자기부상열차(100)가 횡방향으로 이동되는 현상 이외에도, 종축(longitudinal axis)을 중심으로 회전하는 현상, 즉 롤링(rolling) 현상도 발생할 수 있는데, 이 경우에는 부상력만을 제어함으로써 열차의 주행안정성을 확보할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기부상열차의 제어장치는 기존의 자기부상열차와 비교할 때, 안내 및 부상을 위한 추가적인 코일 및 제어기 없이 기존의 추진용 코일과 제어기의 조합만으로 자기부상열차(100)의 추진, 부상 및 안내가 모두 가능한 효과가 있다. 또한, 자기부상열차(100)의 추진력, 부상력 및 안내력을 모두 능동적으로 제어할 수 있으므로 자기부상열차(100)의 제어 자유도를 높일 수 있는 효과도 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.
100: 자기부상열차 120: 전자석
140: 지상궤도 160: 지상코일
162: 좌측 지상코일 162_1: 제1 지상코일
162_2:제2 지상코일 162_3: 제3 지상코일
164: 우측 지상코일 180: 제어기
182: 좌측 제어기 184: 우측 제어기

Claims (10)

  1. 자기부상열차(magnetic levitation train)의 하부에 배치되어 상기 자기부상열차의 이동을 안내(guide)하는 지상궤도(ground railroad);
    상기 지상궤도에 고정 설치되고, 상기 지상궤도의 길이방향을 따라 배치되는 3상(3-phase)의 지상코일(ground coil);
    상기 자기부상열차에 상기 지상코일과 마주하도록 형성되어 부상력(levitation force) 및 추진력(propulsive force)을 발생시키도록 구성된 전자석(electromagnet); 및
    상기 지상코일에 인가되는 전류의 위상(phase) 및 세기(magnitude)를 제어하도록 구성되는 적어도 하나의 제어기(controller)를 포함하되,
    상기 지상코일은,
    상기 지상궤도의 정중앙을 기준으로 좌측에 배치되는 좌측 지상코일(left side ground coil); 및
    상기 지상궤도의 정중앙을 기준으로 우측에 배치되는 우측 지상코일(right side ground coil)을 포함하고,
    상기 전자석과 상기 좌측 지상코일 및 상기 전자석과 상기 우측 지상코일 간의 추진력의 차이를 이용하여 안내력(guide force)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자기부상열차의 횡방향(transverse direction) 위치를 감지하도록 구성된 횡위치센서(transverse position sensor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는,
    상기 좌측 지상코일에 인가되는 전류의 세기 및 위상을 제어하는 좌측 제어기(left-side controller); 및
    상기 우측 지상코일에 인가되는 전류의 세기 및 위상을 제어하는 우측 제어기(right-side controller)를 포함하되,
    상기 좌측 지상코일 및 상기 우측 지상코일에 인가되는 전류는 적어도 하나의 전원공급기(power supply unit)로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 횡위치센서가 감지한 상기 자기부상열차의 횡방향 위치를 기초로 상기 지상코일에 인가되는 전류의 위상 및 세기를 제어하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 전자석과 상기 좌측 지상코일 간 또는 상기 전자석과 상기 우측 지상코일 간의 부상력은 유지하면서 추진력을 증가시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 지상코일은 선형동기모터(LSM: Linear Synchronous Motor)의 코일(coil)로서, 공심형(air cored)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 좌측 지상코일 및 상기 우측 지상코일은, 서로 다른 위상(phase)을 가지는 복수 개의 코일이 상기 지상궤도에 주기적으로 반복되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 자기부상열차의 부상력은 상기 전자석 및 상기 지상코일 간의 척력(repulsive force)에 의해 발생하되,
    상기 전자석은 초전도 전자석(superconducting electromagnet)인 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 자기부상열차의 부상력은 상기 전자석 및 상기 지상코일 간의 인력(attractive force)에 의해 발생하되,
    상기 전자석은 상전도 전자석(normal-conducting electromagnet)인 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전자석 및 상기 지상코일 간의 수직 거리(vertical distance)를 측정하도록 구성된 수직센서(vertical sensor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상열차의 제어장치.
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