KR20220150315A - 플라즈마기반의 고속출력 변속시스템 - Google Patents

Abstract

차량을 선로 전극들에 전기적으로 연결하기 위한 시스템으로서, 선로 전극들 중 각 하나와 전기적으로 연결되도록 구성되는 차량 전극들; 차량의 구조에 대한 차량 전극들의 변위를 위해 차량 전극들을 차량의 구조에 동작 가능하게 연결하는 액추에이터; 차량 또는 선로 전극들 중 하나에 동작 가능하게 장착되는 센서; 및 센서에 의해 감지된 거리의 변화의 함수로 액추에이터를 작동시키기 위해 액추에이터에 동작 가능하게 연결되는 컨트롤러를 포함하고, 액추에이터는 차량 전극들과 선로 전극들 간의 거리를 변화시키도록 동작하고, 센서는 상기 거리의 변화를 감지하는 시스템이다.

Description

플라즈마기반의 고속출력 변속시스템{Plasma-Based High-Speed Power Transmission System}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 본 명세서에 전체 내용이 참조로서 통합되는 미국 특허 출원 제62/385,101호의 우선권을 주장한다.

기술 분야

본 출원은 일반적으로 운송 분야에 관한 것으로, 특히 튜브 운송과 같은 차량과 선형 인프라 구조 상의 전극 간에 전류가 전달되어야 하는 선형 인프라 구조를 횡단하는 차량에 관한 것이다.

선로와 같은 선형 인프라 구조를 순환하는 전기차는 일반적으로 전력선으로부터 전력 입력을 수신하기 위해 팬터그래프나 파워 픽업 슈와 같은 장치를 사용한다. 하지만, 이러한 장치는 차량이 부분적으로 고속으로 순환하는 경우 장치와 전력선 간의 마찰이 장치의 적절한 동작을 악화시키는 과도한 열, 연삭, 마모 및/또는 다른 열화를 일으킬 수 있기 때문에 적합하지 않을 수 있다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

운송 차량, 선박, 물체 또는 다른 장치로 또는 그로부터, 차량이 이동 또는 운행하는 인프라 구조로부터 또는 그로 전력을 전달하도록 설계된 시스템이 개시된다. 시스템은 선로 전극과 차량 전극, 또는 대안적으로 적어도 하나의 선로 전극과 적어도 하나의 차량 전극에 추가로 차량과 인프라 구조 간의 임의의 적절한 연결에 의해 전류를 전도하고, 이로써 회로를 완성하기 위한 적어도 하나의 추가 전기적 연결을 포함한다.

제1 실시예에 따르면, 차량을 선로 전극들에 전기적으로 연결하기 위한 시스템으로서, 선로 전극들 중 각 하나와 전기적으로 연결되도록 구성되는 차량 전극들; 차량의 구조에 대한 차량 전극들의 변위를 위해 차량 전극들을 차량의 구조에 동작 가능하게 연결하는 액추에이터; 차량 또는 선로 전극들 중 하나에 동작 가능하게 장착되는 센서; 및 센서에 의해 감지된 거리의 변화의 함수로 액추에이터를 작동시키기 위해 액추에이터에 동작 가능하게 연결되는 컨트롤러를 포함하고, 액추에이터는 차량 전극들과 선로 전극들 간의 거리를 변화시키도록 동작하고, 센서는 상기 거리의 변화를 감지하는 시스템이 제공된다.

제2 실시예에 따르면, 차량 및 차량에 인접하여 배치되고 차량의 운행 방향을 따라 연장하는 선로 전극들을 포함하는 운송 시스템으로서, 차량은 차량에 장착된 엔진을 가지고; 차량 전극들은 선로 전극들로부터 고전압 피드를 수신하기 위해 엔진에 전기적으로 연결되고; 액추에이터는 차량의 구조에 대한 차량 전극들의 변위를 위해 차량의 구조를 차량 전극들에 동작 가능하게 연결하고; 센서는 차량 또는 선로 전극들 중 하나에 동작 가능하게 장착되고, 시스템은 센서에 의해 감지된 거리의 변화의 함수로 액추에이터를 작동시키기 위해 액추에이터에 동작 가능하게 연결되는 컨트롤러를 더 포함하고, 액추에이터는 차량 전극들과 선로 전극들 간의 거리를 변화시키도록 동작하고, 센서는 상기 거리의 변화를 감지하는 시스템이 제공된다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 시스템은 차량 전극들 중 적어도 하나와 선로 전극들 중 적어도 하나를 전기적으로 연결하도록 구성되고, 예컨대, 시스템은 차량이 선로 전극들에 대해 이동 중인 동안 차량 전극들 중 적어도 하나와 선로 전극들 중 적어도 하나 사이의 물질의 플라즈마 상태를 개시 및 유지한다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 시스템은 차량 전극들에 장착된 광원들을 더 포함하고, 광원들은 차량 및 선로 전극들 중 하나 상의 기결정된 위치를 향해 광을 향하게 한다. 광원들은, 예컨대 레이저이다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 광원들 중 하나의 빔을 기결정된 위치로 향하게 하기 위한 적어도 하나의 거울을 더 포함한다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 차량 전극들 중 하나 이상은 냉각 시스템을 포함하는데, 예컨대 냉각 시스템은 냉각제, 예컨대 오일을 순환시키기 위해 차량 전극들 중 각 하나 내에 도관을 가지는 열 교환기를 포함하고, 열 교환기는 냉각제와 차량 전극들 중 각 하나 사이의 열 교환 관계를 제공한다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 차량 전극들 중 하나 이상의 몸체 및/또는 표면은, 예컨대 텅스텐으로 이루어진다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 센서는 예컨대, 광학 범위 센서이다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 액추에이터는 예컨대 유압 액추에이터이다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 차량 전극들 중 적어도 하나는 차량 전극을 덮는 분배 물질을 점진적으로 교체하기 위한 분배 메커니즘을 가진다. 예를 들어, 분배 물질은 스트립이나 와이어의 형태이고, 분배 메커니즘은 2개의 스풀을 더 포함하고, 스풀 중 하나는 사용되지 않은 분배 물질을 전달하고, 스풀 중 다른 하나는 사용된 분배 물질을 수집한다. 제1 실시예에 따르면 추가로, 스풀 중 적어도 하나는 동력화된다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 운송 시스템은 차량 전극들 중 적어도 하나와 선로 전극들 중 적어도 하나를 전기적으로 연결한다. 예를 들어, 시스템은 차량이 선로 전극들에 대해 이동 중인 동안 차량 전극들 중 적어도 하나와 선로 전극들 중 적어도 하나 사이의 물질의 플라즈마 상태를 개시 및 유지한다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 시스템은 차량 전극들에 장착된 광원들, 예컨대 레이저를 더 포함하고, 광원들은 예컨대, 차량 전극들 및 선로 전극들 중 하나 상의 기결정된 위치를 향해 광을 향하게 한다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 선로 전극들 중 각 하나와 차량 전극들 중 각 하나 사이의 전력 전도를 위한 접촉 기반 모드 동작을 가능하게 하기 위하여 적어도 하나의 전기적 접촉 픽업이, 예컨대 차량 전극들의 각 하나에 장착된다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 전기적 접촉 픽업은 예컨대, 파워 픽업 쇼, 브러시 또는 팬터그래프로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.

제1 또는 제2 실시예에 따르면 추가로, 상기 전기적 접촉 픽업은 액추에이터 중 각 하나에 의해 이동되고, 액추에이터 중 각 하는 접촉 모드 중 전기적 접촉 픽업을 전개하고 만약 플라즈마 전도가 선로 전극들 중 각 하나와 차량 전극들 중 각 하나 사이에 일어나고 있다면 접촉 픽업으로의 플라즈마 전도를 제한하기 위하여 전기적 접촉 픽업을 후퇴시키도록 동작 가능하다.

제3 실시예에 따르면, 운송 라인 인프라 구조 및 차량의 위치를 결정하기 위한 센서를 포함하는 전력 제어 시스템으로서, 시스템은 차량에 인접한 운송 라인 인프라 구조의 세그먼트로 전달되는 전압 및/또는 전력을 제어하고 차량에 인접하지 않은 운송 라인의 나머지로의 전압 및/또는 전력을 감소시키는 전력 제어 시스템이 제공된다.

제3 실시예에 따르면 추가로, 운송 라인 인프라 구조를 따르는 개별 세그먼트에서의 소비를 감지하기 위한 전류 센서가 더 포함되고, 시스템은 복수의 현상 중 적어도 하나에 의해 누설 전류가 감지되는 세그먼트로의 전력을 감소시키도록 구성된다.

제3 실시예에 따르면 추가로, 시스템은 복수의 현상 중 적어도 하나는 예컨대, 코로나, 플라즈마 방전 전류, 용량성 연결 손실, 열화된 절연체를 통한 전도, 빗물, 오염물, 흙, 생물학적 문제 및 표류물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

제3 실시예에 따르면 추가로, 시스템은 차량으로부터 전송되는 적어도 하나의 요청에 기반하여 운송 라인 인프라 구조의 전기적 파라미터를 제어하고, 및/또는 차량의 전력 흡수 부하 회로를 제어하도록 구성되고, 전력 흡수 부하 회로는 차량으로부터 전송되는 전력을 흡수한다.

제3 실시예에 따르면 추가로, 적어도 하나의 요청은 예컨대, 특정 전압 요청, 전류 요청, 전력 요청, 주파수 요청, 진폭 요청, 파형 요청, DC 오프셋 요청 및 전력 흐름의 방향 요청으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

제4 실시예에 따르면, 플라즈마 기반 전력 전달 시스템으로부터/으로 전력을 수신 및/또는 전송하고, 대응하는 전력 전달 전극들 간의 플라즈마 상태를 유지하기 위해 전류 흐름을 조절하도록 구성되는 전력 조절 시스템이 제공된다.

제5 실시예에 따르면, 플라즈마 기반 전력 전달 시스템으로부터/으로 전력을 수신 및/또는 전송하고, 차량 상에 조절 및/또는 필터링된 버스 전압을 제공하도록 구성되는 전력 조절 시스템이 제공된다.

제6 실시예에 따르면, 가이드웨이 인프라 구조로부터/로 하나 이상의 차량으로/으로부터 전력을 전달하도록 구성된 전력 전달 시스템으로서, 상기 전력 전달 시스템은 차량으로부터 기인한 바람직하지 않은 초과 전력을 흡수하기 위해 전력을 활성화 및/또는 조절하도록 구성된 제어 가능한 부하를 포함하는 전력 전달 시스템이 제공된다.

제7 실시예에 따르면, 차량을 선로 전극들로 전기적으로 연결하는 시스템을 구동하는 방법으로서: 플라즈마를 통해 선로 전극 및 차량 전극 중 하나로부터 선로 전극 및 차량 전극 중 다른 하나로 고전압 피드를 수신하는 단계; 차량 전극 및 선로 전극 사이의 거리에 대한 데이터 정보를 수신하는 단계; 및 데이터 정보에 기반하여, 차량 전극 및 선로 전극 사이의 거리를 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

제7 실시예에 따르면 추가로, 플라즈마 생성을 유도하기 위해 선로 전극 및 차량 전극 중 하나 상의 기결정된 위치를 향해 광의 빔을 향하게 하는 단계를 더 포함한다.

제7 실시예에 따르면 추가로, 방법은, 예컨대 차량 전극 내에서 냉각제 순환을 사용하여 차량 전극의 열을 전달시킴으로써 차량 전극을 냉각시키는 단계를 더 포함한다.

제7 실시예에 따르면 추가로, 방법은 차량 전극 내에서 사용되지 않은 분배 물질을 사용된 분배 물질로 점진적으로 대체하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

첨부되는 도면을 참조한다.
도 1은 특정 실시예에 따른 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템의 전극의 개략도이다.
도 3a는 특정 실시예에 따른 선로와 차량 전극의 측면도 및 단면도이다.
도 3b는 다른 특정 실시예에 따른 선로와 차량 전극의 측면도 및 단면도이다.
도 4는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 세그먼트 전력 시스템의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 전기차(V)는 전기 입력을 필요로 하는 부하(12)에 전력을 공급하기 위한 시스템(10)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 부하(12)는 차량(V)을 추진하기 위해 사용되는 엔진이다. 차량(V)은 그 사이에 전위차 또는 전압 강하를 정의하는 전력 공급 전극, 또는 선로 전극(14)(도시된 실시예에서 2개)에 근접하여 순환한다. 시스템(10)은 부하(12)를 선로 전극(14)에 전기적으로 연결하기 위해 사용된다. 선로 전극(14)은 고전압을 전달하기에 적합한 라인(18)을 통해 전원(도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다. 특정 실시예에서, 직류(DC)가 사용되고 라인(18) 중 하나는 음 극성을 가지는 한편 라인(18) 중 다른 하나는 양 극성을 가진다. 특정 실시예에서, 교류(AC) 전류가 사용되고 라인(18)은 교류(AC)를 전달한다.

시스템(10)은 각각 선로 전극(14) 중 각 하나에 전기적으로 연결되도록 구성되는 픽업 전극, 또는 차량 전극(20)(도시된 실시예에서 2개)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 차량 전극(20)은 고 용융 온도와 낮은 전기 저항 및 높은 열 전도율을 가지는 재료로 제조된다. 이 재료는 예컨대 텅스텐일 수 있으나 임의의 적절한 재료가 사용될 수 있다. 재료 선택은 다음 섹션에 더 자세히 설명된다. 차량 전극(20) 각각은 전기적으로 절연될 수 있는 고전압 공급선(22)을 통해 부하(12)에 전기적으로 연결된다. 특정 실시예에서, 차량 전력 조절 유닛(70)은 차량 전극(20)과 부하(12) 사이에 연결되는데, 이는 하나 이상의 부하를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 차량(V)의 구조(24)는 고전압 공급선(22) 중 하나를 통해 접지된다. 특정 실시예에서, 차량 구조(24)는 차량 전극 중 하나, 일부 또는 전부에 대해, 선로 전극 중 하나, 일부 또는 전부에 대해 및/또는 안내로(guideway) 구조(도시되지 않음)에 대해 상기 차량 구조의 전압이나 전위를 조정하기 위한 회로를 포함하는 차량 전력 조절 유닛(70)으로 연결된다. 도시된 실시예에서, 차량 전극(20)은 고전압 절연체(21)에 의해 덮이는 부분을 가진다. 유사하게, 차량 구조(24)는 코로나 감소를 위해 고전압 절연층(25)으로 보호될 수 있다.

차량 전극(20)은 대응하는 선로 전극(14)과 접촉하거나, 선로 전극(14)과 접촉하지는 않으나 근접한 상태로 전류를 전도하도록 의도된다. 접촉하지 않는 동안, 전기가 선로 전극(14)으로부터 차량 전극(20)으로 전달되는 플라즈마(P)가 전극(14 및 20) 사이에 발생할 수 있다.

도시된 실시예에서, 선로 전극(14)에 공급되는 전압은 각 대응하는 쌍의 선로 및 차량 전극(14 및 20) 간의 플라즈마 전도와 연관된 총 전압 강하 후에도 충분한 전압이 차량 전극(20)으로 전달되도록 선택된다. 도시된 실시예에서, 직류가 선로 전극(14)으로 공급된다. 특정 실시예에서, 차량 전극(20)은 각 극성에 대해 서로 명확하게 설계된다.

시스템(10)에서, 플라즈마(P)는 선로 및 차량 전극(14 및 20) 간의 상대 거리(D)에 민감하다. 따라서, 시스템(10)은 각 차량 전극(20)에 대해 하나씩, 전극(14 및 20) 쌍 간의 상대 거리(D)를 변화시키도록 구성되는 메커니즘(26)을 포함한다. 시스템(10)의 다양한 메커니즘(26)은 서로에 대해 독립적일 수 있으나, 동시에 제어될 수 있다. 특정 실시예에서, 전극(14 및 20) 쌍 간의 상대 거리를 능동적으로 충분히 일정하게 유지하는 것은 더 안정적인 플라즈마를 제공하고 따라서 전력 손실 발생을 감소시킴으로써 시스템(10)의 성능을 향상시킨다. 특정 실시예에서, 메커니즘(26)은 선로 전극(14)의 표면에 대해 전극(20)의 방향을 유지한다. 시스템(10)은 메커니즘(26)을 제어하는 컨트롤러(28)를 더 포함한다.

계속 도 1을 참조하면, 시스템(10)이 두 메커니즘(26)을 포함하지만, 본 명세서에서 하나만 후술된다. 시스템(10)은 차량 전극(20) 상에 장착된, 차량 전극(20) 및 대응하는 선로 전극(14) 간의 상대 위치 및/또는 방향을 감지하기 위한 센서(30)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 센서(30)는 광학 범위/거리 센서이지만, 다른 타입의 센서가 고려된다. 특정 실시예에서, 센서(30)는 플라즈마(P)에 의해 방출되는 광에 의해 유발되는 센서 판독에서의 간섭을 최소화하고, 센서(30)에 의해 유발되는 광전자 방출을 최소화하도록 선택된 활성 파장을 가진다. 특정 실시예에서, 센서 파장은 전극 재료의 광전자의 일함수에 대응하는 파장보다 길다. 센서는 하나 이상의 거울로 향할 수 있는 광선(32)을 방출한다. 센서(30)는 적절한 라인(34) 또는 무선 연결을 통해 컨트롤러(28)와 연결된다. 컨트롤러(28)는 센서 판독에 기반하여 메커니즘(26)의 실시간 피드백 제어를 실행하도록 설계된다.

메커니즘(26)은 브레이스 부재(36)(도시된 실시예에서 2개) 또는 유사한 링크 및 조인트 배열을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 차량 전극(20)은 차량 구조(24)에, 예컨대 피봇 조인트에 의해 작동 가능하게 연결된 두 브레이스 부재(36)에 피봇식으로 연결된다. 메커니즘(26)은 액추에이터(38)를 더 포함할 수 있는데, 차량 구조(24)에 및 브레이스 부재(36) 중 하나 또는 둘에, 예컨대 피봇 조인트에 의해 작동 가능하게 연결된다. 도시된 실시예에서, 액추에이터(38)는 선로 전극(14)에 수직한 방향을 따라 길이가 증가 또는 감소할 수 있다. 액추에이터 길이의 증가는 선로 및 차량 전극(14 및 20) 간의 거리(D)의 감소를 낳는다. 따라서, 액추에이터 길이의 감소는 상기 거리(D)의 증가를 낳는다. 다른 구성도 고려된다. 도시된 실시예에서, 액추에이터(38)는 유압 호스(40)를 통해 펌프나 압축기(도시되지 않음)에 연결된 유압 액추에이터이다. 이러한 경우, 컨트롤러(28)는 액추에이터(38)의 움직임을 제어하기 위하여 펌프나 압축기에 적절한 선을 통해 연결된다. 임의의 적절한 액추에이터 및 적절한 연결선이 본 명세서의 범위를 벗어남 없이 사용될 수 있는데, 예컨대 선형 액추에이터, 다축 액추에이터, 로봇 암(도시된 바와 같음), 공압 액추에이터, 전자기, 볼 스크류 또는 멀티 자유도 로봇 암 등이다.

계속 도 1을 참조하면, 차량 전극은 냉각 시스템(42)을 포함할 수 있다. 냉각 시스템(42)은 높은 전기 저항, 높은 비열 용량 및 높은 열 전도성을 가질 수 있는 액체 냉각제를 사용한다. 특정 실시예에서, 액체 냉각제는 파라핀 오일이지만, 임의의 적절한 냉각제가 사용될 수 있다. 냉각 시스템(42)은 차량 전극(20) 내에 포함되는 열 교환기(44)를 포함한다. 열 교환기(44)는 액체 냉각제를 순환시키고 도관(46)을 둘러싸는 물질과 열 교환 관계를 제공하기 위한 도관 또는 코일(46)을 가진다. 열 교환기 도관(46)은 냉각제 입구 도관(48) 및 냉각제 출구 도관(50)에 연결된다. 도관(48 및 50)은 액체 냉각제를 순환시키고 차량 전극(20)으로부터 추출된 열을 추출하기 위해 사용되는 차량(V)에 탑재된 적어도 하나의 냉각제 장치(도시되지 않음)와 유체 연결된다. 특정 실시예에서, 냉각제 장치는 냉각제 펌프 및 냉각제로부터 열을 전달하는 열 교환기 또는 열 싱크를 포함한다. 차량 전극은 차량 전극 냉각 시스템으로 제작될 수 있다. 대기압 조건에서 사용하기 위한 일실시예는 각 전극에 기계적으로 연결된 라디에이터인데, 전극으로부터 라디에이터로 열이 전도되고 주변 공기에서 소산된다. 팬이 열 소산을 돕기 위해 라디에이터 상에서 공기를 날리기 위해 설치될 수 있는데, 그 흐름이 눈에 띄게 불리하게 플라즈마를 방해하지 않도록 위치된다. 대안적으로, 이 라디에이터는 차량 움직임으로부터의 공기 흐름이 열 소산을 돕기 위해 라디에이터를 통과하거나 가로지르도록 하는 위치로 차량 상에 장착될 수 있다.

차량 전극 냉각 시스템의 다른 실시예는 높은 전기 저항의 액체 냉각제를 가질 수 있고, 높은 비열 용량을 가질 수 있고, 높은 열 전도성을 가질 수 있는 액체 냉각제를 사용할 수 있는 냉각제 순환 시스템을 사용한다. 특정 실시예에서, 예컨대 파라핀 오일이 이 기준에 맞는 재료의 하나이다. 액체 주 냉각제의 경우, 전극은 열이 이 주 냉각제로 전달되는 내부 열 교환기 냉각제 채널, 냉각제 펌프 및 냉각제로부터 열을 전달하는 열 교환기 또는 열 싱크로 구성되는 차량에 장착된 차량 냉각 시스템에 둘 다 연결되는 주 냉각제 입력 포트 및 주 냉각제 출력 포트를 가진다. 선택적으로 2차 냉각제 루프는 아무런 특별한 전기 저항 속성이 필요 없는 종래의 냉각제를 사용하여 열을 더 멀리 전달한다.

차량이 저압 환경을 주행해야 하는 경우, 차량 냉각 시스템으로부터의 열은 차량 상의 열 싱크에 의해 흡수될 수 있는데, 예컨대 저수조(들)이나 다른 축열 물질(들), 상 변화 물질(들) 또는 반응 시스템(들)인데, 차량이 정지할 때 주기적으로 유체나 다른 물질(들)을 교환함으로써 리셋된다. 예를 들어, 물 기반 축열의 경우, 냉각 시스템에 의해 가열된 온수 및/또는 증기가 배출될 수 있고, 상대적으로 차가운 물 및/또는 얼음이 차량에 적재되어 새로운 축열 용량을 제공할 수 있다. 차량 냉각 시스템은 차량에 탑재된 다른 시스템을 냉각하는데도 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 시스템(10)은 대응하는 전극(14 및 20) 간의 플라즈마를 개시, 지원 및 유지하도록 설계되어 플라즈마에 걸친, 대응하는 컨덕터 간의 낮은 전압 강하에서 고전류 흐름을 가능하게 한다. 특정 실시예에서, 이 기능은 차량 전력 조절 유닛(70)에 의해 수행되는데, 전력을 특정 부하(들)로 유도하여 플라즈마 존(P)의 전류 흐름을 제어한다. 일실시예에서 차량 전력 조절 유닛(70)은 이 목적을 위해 차량 부하(들)에 의해 요구되는 전류를 넘는 임의의 초과 전류의 일부나 전부를 전달하고 및/또는 이 목적을 위해 차량 부하(들)에 의해 요구되는 전력을 넘는 임의의 초과 전력의 일부나 전부를 흡수하는 제어 가능한 더미 부하(반도체 초퍼와 직렬인 저항과 같이)를 포함한다. 특정 실시예에서, 플라즈마는 아크 영역에 있다.

일부의 경우에, 선로 및 차량 전극(14 및 20) 간의 플라즈마 발광을 개시하도록 요구될 수 있다. 도시된 실시예에서, 시스템(10)은 차량(V) 또는 차량 전극(20)에 장착된 광원(52)(각 차량 전극(20)에 하나씩)을 더 포함한다. 광원(52)은 광전 효과를 사용하여 광원(52)의 목표인 전극(14 및/또는 20) 중 하나로부터 전자 방출을 개시한다. 도시된 실시예에서, 광원은 각 시점에 국부화된 위치에서 광전 효과를 개시하도록 선택된 특정 파장을 가지는 레이저이다. 도시된 실시예에서, 광원(52)은 거울(56)에 의해 유도되는 광학 플라즈마 개시 빔(54)을 생성한다. 광원(52)은 적절한 연결선(60)을 통해 컨트롤러(24)에 연결된다. 대안적으로, 광원(52)은 원하는 영역에 직접 광을 투사함으로써 거울(56) 없이 동작할 수 있다.

차량 전극(20) 중 양극(20a)에 대응하는 선로 전극(14) 중 음극(14a)의 경우, 광원(52)의 빔(54)은 음의 선로 전극(14a)으로 향한다. 도시된 실시예에서, 전자 방출이 의도된 플라즈마 존의 선단 가장자리를 따라 자극되도록 빔(54)은 화살표(A)로 표시된 차량(V)의 운행 방향에 대해, 대응하는, 혹은 이 경우 양의 차량 전극(20a)에 직접 인접한, 또는 대응하는 차량 전극(20a) 앞의 위치로 향한다.

반대로, 차량 전극(20) 중 하나(20b)(이 경우 음극(20b))에 대응하는 선로 전극(14) 중 양극(14b)의 경우, 광원(52')의 빔(54')은 선로 전극에 대해 음의 전위이면 대응하는 차량 전극(20b)으로 향한다. 도시된 실시예에서, 전자 방출이 의도된 플라즈마 존의 선단 가장자리를 따라 자극되도록 광원(52')은 운행 방향(A)에 대해 양의 선로 전극(14b)과 직접 가장 가까운 위치 또는 양의 선로 전극(14b)의 앞으로 향한다. 도시된 실시예에서, 빔(54')은 거울(56')에 의해 편향된다.

계속 도 1을 참조하면, 다이어그램(100)은 전류 운반 회로 경로(102)를 따라 선로 전극(14)을 따르는 전압 강하 및 차량 회로 경로(104) 상의 차량 구조(24)를 따르는 전압 강하를 도시한다. 먼저, 전류 운반 회로 경로(102) 상에서, 제1 강하(106)는 플라즈마(P)를 통해 만난다. 그 후 제2 강하(108)는 부하(12) 및/또는 차량 전력 조절 유닛(70)을 통해 겪는다. 그리고, 제3 강하(110)는 다른 선로 및 차량 전극(14 및 20)과 함께, 다른 쪽의 플라즈마(P)를 통해 일어난다. 차량 회로 경로(104) 상에서, 제1 전압 강하(112)는 섀시를 통해, 또는 그 제1 측의 차량 구조(24)를 통해 일어나고 차량 구조(24)의 제2 측의 제2 전압 강하(114)가 뒤따른다.

특정 실시예에서, 광원(52, 52')의 최소 파장은 대응하는 전극(14 또는 20)의 표면에 사용되는 재료의 일함수에 대응하는 파장보다 짧게 선택된다. 이 방식으로, 광원(52, 52')으로부터의 광자는 상기 전극에서 분자나 원자의 일함수를 극복하기에 충분한 에너지를 가질 수 있고, 전자가 전극으로부터 광전 효과로 방출될 수 있게 할 수 있다. 특정 실시예에서, 광원의 강도는 광원으로부터의 광자 방출 속도(특히 상기 파장 기준을 충족하는 광자에 대해)가 원하는 대로 도체 사이에 충분한 전류가 흐를 수 있게 하는데 요구되는, 광전 효과로 인한 전자 방출의 대응하는 속도를 충족 또는 초과하도록 선택된다.

특정 실시예에서, 시스템(10)은 차량 전극(20) 중 하나 이상에 일시적인 고전압 펄스를 전달하는 차량(V)에 내장된 회로(도시되지 않음)를 포함하여, 선로 및 차량 전극(14 및 20)의 대응하는 쌍(들) 간의 아크를 개시한다.

특정 실시예에서, 시스템(10)은 플라즈마 존 어레스터 메커니즘을 포함하여, 차량 전극(20)과 선로 전극(14) 사이의 영역의 바람이 불어가는 측에서 주변 기체의 플라즈마 함량을 흡수, 확산, 혼합, 중화 또는 다르게 감소시킨다. 플라즈마 존 어레스터는 선로나 차량 전극(14 또는 20)으로부터 또는 다른 곳으로부터 전도되는 바람직하지 않은 전류를 감소시킬 수 있는데, 전류는 대응하는 전극 쌍 사이를 흐르지 않는다. 플라즈마 존 어레스터는 기체를 흡수 또는 흡입하는 파이프이고, 전극 간의 기체의 유체 역학적 흐름 패턴을 변화시키는데 사용되는 공기 역학적 요소가 사용된다. 플라즈마 존 어레스터는 선로가 아니라, 차량(V)이나 차량 전극(20)에 부착될 수 있다. 이러한 설치가 자재 비용을 감소시킬 수 있다.

특정 실시예에서, 시스템(10)은 대응하는 선로 전극(14)과 차량 전극(20) 사이의 의도된 플라즈마 존에서 기체의 유체 역학적 흐름 패턴을 변화시키는 공기 역학적 요소를 포함한다. 공기 역학적 요소는 차량 전극(20)에 부착되고 운행 방향(A)에 대해 차량 전극의 앞에 위치한 절연 플레이트를 포함하여, 정적인 주변 기체를 차량 속도에 가까운 속도까지 끌어올려, 차량 전극(20)에 대해 기체의 상대 속도를 감소시킬 수 있다.

특정 실시예에서, 시스템(10)은 선로 전극(14)와 차량 전극(20) 사이에 성공적으로 전달되는 전류의 비율을 향상시키고 전극으로부터 바람직하지 않은 전류 소모로, 예컨대 차량(V)으로, 차량 전극(20)의 구조적 컴포넌트로, 선로 전극(14) 주위의 인프라 구조 컴포넌트로, 한 선로 전극에서 직접 다른 전극으로, 한 차량 전극에서 직접 다른 차량 전극으로, 또는 그 전극의 대응하는 선로나 차량 상의 파트너 전극이 경로에 없다면 임의의 전극을 둘러싸는 주변 공간으로(예컨대, 코로나) 전달되는 “손실” 전류를 감소시킨다.

계속 도 1을 참조하면, 시스템(10)은 그 컨트롤러(28)를 통하여 센서(30)로부터 센서 판독을 수신할 수 있다. 이들 판독은 전극(14 및 20) 사이의 거리(D)가 증가, 감소 또는 일정하게 유지되어야 하는지 여부를 결정하는 컨트롤러(28)에 의해 수신된다. 그 후, 만약 거리(D)가 주어진 임계치보다 낮거나 높다면, 컨트롤러(28)는 액추에이터(38)가 후퇴 또는 연장하여 거리(D)를 증가 또는 감소시키도록 트리거링한다. 컨트롤러(28)는 액추에이터(38) 각각을 개별적으로 제어할 수 있다. 다시 말하면, 컨트롤러(28)는 액추에이터(38) 각각을 독립적으로 제어함으로써 차량 전극(20) 중 하나 또는 모두의 위치를 동시에 보정할 수 있다. 도시된 실시예에서, 컨트롤러(28)는 광원(52, 52')이 차량 전극(20) 또는 선로 전극(14) 상의 원하는 위치를 향해 빔(54, 54')을 방출하도록 지시한다.

전극 상의 이온 증착뿐만 아니라 전극 재료의 산화와 다른 화학적 변화를 방지 또는 감소시킬 필요가 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 직류(DC) 대신 교류(AC)를 사용하여 전극에 전력을 공급함으로써 달성되고, 더 일반적으로 시변 파형이 전극에 제공된다. 이것은 전극 재료에 대한 이온 증착, 산화 또는 다른 화학적 변화를 방지 또는 감소시킬 수 있다.

특정 실시예에서, 분배(dispensable) 전도성 물질, 예컨대 금속 막대, 스트립, 와이어 또는 바가 차량 전극의 일부로 사용된다. 분배 전도성 물질은 이전에 사용된 도체 표면 영역이 저하됨에 따라 필요에 따라 분배 전도체의 새로운 도체 표면 영역을 위치시키도록 전진된다. 특정 실시예에서, 분배 전도체는 차량 전극(20)의 비분배(non-dispensable) 재료와 비교할 때 차량 전극(20)으로/으로부터 선로 전극(14)으로부터/으로 전류의 대부분을 전도하도록 위치된다. 예를 들어, 분배 전도성 물질은 차량 전극(20)의 비분배 부분보다 선로 전극(14)과 가까이 위치될 수 있는데, 비분배 부분은 결국 절연성 물질로 덮여 차량 전극(20) 상의 비분배 컴포넌트로/로부터의 플라즈마 전도를 감소시킬 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 특정 실시예에서, 도 1에 도시된 차량 전극(20)은 각각 분배 재료를 바깥으로 전진시켜, 이전의 도체 표면 영역이 저하됨에 따라 필요에 따라 분배 전도체의 새로운 도체 표면 영역을 위치시키는 분배 메커니즘(200)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 분배 메커니즘은 두 스풀(211 및 212)를 포함한다. 제1 스풀(211)은 새로운 분배 전도체를 포함하는 반면 제2 스풀(212)은 사용된 저하된 전도체 재료를 수집한다. 도시된 실시예에서, 스풀(211 및 212)은 하나 이상의 공압 또는 유압 드라이버(213)에 의해 구동되지만, 모터를 포함하여 다른 적절한 드라이버가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 파라핀 오일과 같은 비전도성 유체가 차량(V) 상의 펌프(도시되지 않음)으로부터 라인(214)을 통해 펌핑된다. 따라서, 재료는 점진적으로 계속하여, 또는 시간 간격을 두고 이산적으로 전진될 수 있다 분배 메커니즘(200)은 하나 이상의 접점(216)과 접촉하여 주 전극 도전체(217)로 열과 전류를 전달하는 하나 이상의 가이드(215)를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 분배 메커니즘(200)은 통합되어 스풀(211 및 212)로의 플라즈마 전도를 방지 또는 감소시킬 수 있는 전기적으로 절연된 하우징(218)을 더 포함한다.

특정 실시예에서, 차량 및 선로 전극은 주변 압력이 저압으로 펌핑되어, 전극의 증착 및/또는 산화에 포함될 수 있는 기체 분자의 밀도를 감소시키는 튜브 내에 포함된다. 대안적으로, 차량 및 선로 전극(20, 14)은 불활성 또는 반-불활성 기체로 채워지거나 부분적으로 채워지는 튜브 내부에 있다. 특정 실시예에서, 튜브 내의 압력은 낮은 수준으로 감소되고 튜브는 불활성 또는 반-불활성 기체로 채워지거나 부분적으로 채워진다. 특정 실시예에서, 이것은 튜브 부피를 채우는데 필요한 불활성 또는 반-불활성 기체의 양을 절약하므로, 비용을 절감한다.

이제 도 3a와 3b를 참조하면, 선로 전극(301, 321) 및 차량 전극(310, 330)이 본 명세서의 다른 실시예에 따라 도시된다. 선로 및 차량 전극은 차량에 대해 다른 위치에 위치되도록 회전 및/또는 병진될 수 있다. 특정 실시예에서, 플라즈마 전도 존은 선로 전극(301, 321) 및 차량 전극(310, 330) 사이에 있다. 도시된 실시예에서, 선로 전극(301 또는 321)은 구조적 표면 재료(304), 또는 구조적 빔이나 매달린 케이블 또는 콘크리트와 같은 인프라 구조의 구조 부재에 장착된다. 인프라 구조의 구조 부재(304)가 전기적으로 전도성이고 접지된 경우, 절연체가 구조를 선로 전극으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 설치된다. 특정 실시예에서, 절연체 표면(303)은 선로 전극(301)과 구조(304) 사이에 설치되고 선로 전극(301)과 구조(304) 사이의 플래시오버, 고장, 아크, 코로나, 누설 전류 또는 다른 전기적 전도를 방지 또는 감소시키기에 충분한 거리로 바깥으로 연장한다.

절연체 표면(303)은 전기 절연 중합체 시트 및/또는 보호막(conformal coating) 절연체로 이루어질 수 있다. 특정 실시예에서, 선로 전극 절연체(302)가 주름진 구조로 형성되어 선로 전극(301)과 인프라 구조의 노출된 접지 부분 간의 유효 표면 거리를 증가시킨다. 여러 타입의 절연체가 함께 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 보호막 절연체가 넓은 단면에 도포되고, 더 좁은 절연체 시트에 의해 덮인다. 추가 실시예는 셋 모두를 포함한다.

특정 실시예에서, 절연체(들)은 전기적으로 전도성 장착 하드웨어가 선로 전극 근처에 노출되지 않고 절연체가 제공하는 절연 거리를 현저히 감소시키지 않는 방식으로 인프라 구조에 장착된다. 이것은 절연체를 뒤에서, 선로 전극의 반대측에서 절연체를 장착함으로써, 및/또는 임의의 장착 하드웨어를 절연 코팅이나 페이스트로 채우거나 덮음으로써 달성될 수 있다. 도 3a에서, 장착 하드웨어는 명확성을 위해 생략되었다.

특정 실시예에서, 인프라 구조 단면은 일반적으로 삽입 전도체(305, 325), 삽입 절연체(306, 326), 접합과 접합 인클로저(307) 및 와이어나 다른 전도체(308)와 함께, 외부 전원과 연결된 선로 전극 하나로 이루어지고, 접지된 선로 전극은 일반적으로 접지된 인프라 구조에 연결되고 일반적으로 그 자체와 구조적 지지체 사이에 절연체를 필요로 하지 않는다. 특정 실시예에서, 인프라 구조 단면은 두 선로 전극을 포함하고, 상술한 바와 같이 각각 상이한 전압에 절연된 삽입 하드웨어를 통해 연결된다.

특히 도 3b를 참조하면, 선로 전극(321)은 현수되어 일반적으로 삽입 전도체(325) 및 삽입 절연체(326)와 연결되고, 일반적으로 삽입 전도체(325) 및/또는 삽입 절연체(326)를 구조적 지지체로, 및/또는 선로 전극과 구조적 지지체 사이의 다른 절연 장착부(명확성을 위해 도시되지 않음)를 사용하여 인프라 구조에 고정된다.

다시 도 3a와 3b를 참조하면, 선로 전극(301 또는 321)은 일반적으로 둥근 모서리 또는 형상으로 형성된다. 특정 실시예에서, 날카로운 모서리나 날카로운 점을 피하는 것은 선로 전극의 먼 거리에 걸친 전류 손실 및/또는 코로나 효과를 감소시킨다. 도시된 실시예에서, 날카로운 모서리가 차량 전극(310, 330)에서도 회피되어, 손실 및 선로 전극(301 또는 321)의 전달 표면이 아닌 다른 부분으로부터 형성되는 고전류 아크의 위험이 감소될 수 있다. 날카로운 모서리를 회피하는 것은 차량 전극(310, 330)으로부터 대응하는 선로 전극(301, 321)이 아닌 물체로의 전도도 감소시킬 수 있다.

전극은 일반적으로 플라즈마 존의 형상에 영향을 미치도록 형성된다. 차량 전극(310 및 330)은 폭(311) 및 길이(312)를 가진다. 특정 실시예에서, 차량 전극(310, 330)은 긴 길이에 걸쳐 아크 전도를 확산시키고, 전극(310, 330) 상의 국부화된 전류, 열 및/또는 열화 하중과 요구조건을 감소시키기 위해 연장된다. 폭(311)과 전달 표면(313/333)은 일부 실시예에서 확장된다. 이것은 차량 전극(330)의 전달 표면(333)과 비교할 때 더 작은 차량 전극(310)의 전달 표면(313)을 비교함으로써 가장 잘 관찰될 수 있다. 차량 전극(330)은 더 넓은 단면에 걸친 아크 전도의 확산을 가능하게 할 수 있으며, 전극 상의 국부화된 전도, 열 및/또는 열화 하중과 요구조건을 감소시킬 수 있다.

차량 전극의 특정 실시예에서, 유체 역학적 특징이 플라즈마 작용에 영향을 미치기 위해 포함된다. 예를 들어, 전극 구조는 그렇지 않으면 차량 전극(330)의 전방에 충돌하고 플라즈마 존을 향해 방향이 바뀔 공기의 방향을 바꾸기 위해 경사 또는 곡선(314)로 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 경사(314)는 플라즈마 존으로부터 흐름을 멀어지게 편향시킬 수 있다. 이것은 플라즈마 존의 방해를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 차량 전극(330)의 형상은 추가 기체 흐름을 플라즈마 존으로 유도하도록 선택된다.

자기장 및/또는 전기장이 플라즈마 존 형상을 변경시키는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 자기장이 전계 캐리어의 운동 방향을 굽히기 위해 도입된다(예컨대, 전자석 또는 영구 자석에 의해). 다른 특정 실시예에서, 전기장이 전계 캐리어를 유인 또는 반발시키기 위해 도입된다(예컨대, 하나 이상의 전극에 인가되는 고압(들)에 의해).

도시된 실시예에서, 아크나 플라즈마 존은 각 패스마다 선로 전극(301, 321)의 특정한 좁은 영역만을 반복하여 덮는 것이 방지될 수 있다. 특정 실시예에서, 아크나 플라즈마 존은 선로 전극의 넓은 영역에 걸쳐 확산되거나, 각 패스에 대해 복수의 가능한 존 중 선로 전극 상의 타격 존을 변경시키도록 조작되어, 수 패스 후, 선로 전극의 길이를 따르는 주어진 위치가 단면 곡선의 복수의 상이한 부분에서 타격된다. 이것은 차량 전극 가까이 위치하고, 발진기 또는 다른 파형 생성기에 의해 구동되는 전자석에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 차량 전극(310, 330)은 기계적 액추에이터에 의해 능동적으로 또는 수동적으로 차량 진동 및/또는 기계적 공진으로 인해 진동 패턴으로 이동한다. 대안적으로, 와류 셰더 블러프 바디(vortex shedder bluff body)는 차량 전극에 통합되어 플라즈마 존 전방에 진동하는 기체 흐름을 생성시킬 수 있다. 와류 셰더는 플라즈마 존 전방의 전극의 선단에 장착되는 절연 물질로 이루어질 수 있다. 와류 셰더는 원통과 같은 프리즘 형상을 가질 수 있고, 플라즈마 전도 방향과 정렬된 중심축을 가지고 위치할 수 있어, 플라즈마 전도 방향에 비스듬하게 와류 진동을 발생시킨다. 대안적으로, 전극 형상은 플라즈마 존으로 난기류를 유도하도록 설계될 수 있다. 특정 실시예에서, 상술한 전략은 차량 전극 상의 타격 영역을 넓히거나 변경하는데도 사용된다.

도 4를 참조하면, 세그먼트 전력 시스템이 도시되는데, 가이드웨이의 길이를 따라 전기적으로 절연된 세그먼트로 분할된 가이드웨이에 대한 전력을 제어한다. 세그먼트 전력 시스템은 하나 이상의 세그먼트 전력 유닛 및 하나 이상의 세그먼트 제어 유닛으로 구성된다. 각 세그먼트 전력 유닛은 하나 이상의 세그먼트로의 전력을 제어할 수 있고, 각 세그먼트로의 하나 이상의 출력 연결을 가진다. 도 4는 가이드웨이(520) 하나, 세그먼트 전력 유닛(521, 522) 둘, 세그먼트 제어 유닛(523, 524) 둘로 16개의 세그먼트(501-516)를 제어하는 예시를 도시한다. 이 예시는 각 세그먼트에 대해 단일 제어되는 전력 연결, 각 세그먼트(501-516)에 대한 선로 전극 하나를 가지는 단일 종단 구성을 도시하고, 접지된 선로 전극(517)은 가이드웨이 공통 접지(519)와 공통인 접지 연결(518)로 다수의 세그먼트에 걸쳐진다. 다른 실시예는 각 세그먼트에 대해 둘 이상의 분리되고 개별적으로 연결된 선로 전극을 가지는 차동 전력 전극, 또는 후술되는 다른 세그먼트 전력 시스템을 포함한다.

각 전력 제어 장치는 하나 이상의 릴레이 및/또는 반도체 스위치(예컨대 FET 또는 IGBT) 또는 세그먼트로의 전력 출력에 있어 전압, 전류, 진폭, 주파수 또는 다른 전기량을 제어할 수 있는 다른 장치로 구성된다. 특정 실시예에서, 펄스 폭 변조 신호는 전력 출력에 있어 전압 및/또는 전류를 제어 및 조정하기 위해 각 반도체 스위치를 구동한다.

각 세그먼트 전력 유닛은 국부적으로 생성된 및/또는 그리드 연결과 같은 외부 생성 전력을 위한 장거리 전송 라인(532)으로의 연결로부터의 전원이 제공된다. 도 4에 도시된 라인(532) 각각은 가이드웨이 인프라 구조의 일부로 통합된 둘 이상의 전도체, 또는 외부 전기 그리드 인프라 구조의 일부로서의 둘 이상의 전도체를 표현한다. 세그먼트 전력 유닛은 만약 국부 생성 또는 장거리 전송 라인의 전압보다 더 낮은 전압이 가이드웨이에 필요하다면 전압 감소 시스템을 포함한다. 전압 감소는 변압기 및/또는 고체 상태 전력 변환기로 구성되는 개별 상용 유닛을 사용함으로써, 및/또는 전술한 펄스 폭 변조와 스위칭 장치의 제어 및 조절을 통해 달성된다.

세그먼트 전력 유닛 및/또는 세그먼트 제어 유닛은 차량의 위치 및/또는 차량의 각 세그먼트와의 근접을 나타내는 신호에 연결될 수 있다. 위치 및/또는 근접 신호(들)는 각 세그먼트에 인가되는 전력을 제어하는데 사용된다. 신호는 차량이 존재하는 시간 동안 전력을 증가시키거나 다른 제어에 사용될 수 있고, 차량이 지나가기 전 및/또는 후의 여분의 시간 여유 동안도 사용될 수 있다. 근접 또는 위치 데이터는 가이드웨이 구조에 연결된 광학 센서(예컨대, 레이저, 타임 오브 플라이트, 컴퓨터 비전), 레이더 센서, SONAR 센서, 기계적 편향 또는 진동 센서와 같은 가이드웨이 구조(526)에 또는 그 근처에 장착되는 센서에 의해 차량 자체로부터 전송된 위치 데이터나 근접 신호로, 및/또는 중앙 라인 컨트롤러(525)로부터의 데이터로 제공될 수 있다. 예로서, 만약 차량(541, 542, 543)이 한 시점에 존재한다면, 제어 시스템의 일실시예는 그 특정 순간에 세그먼트(502, 510, 515)에 에너지를 공급하는 반면, 다른 실시예는 근접이나 위치 데이터의 추가적인 오류 여유에 걸쳐 전력을 제공하기 위해 세그먼트(예컨대, 501, 502, 503, 509, 510, 511, 514, 515, 516)에 에너지를 공급한다.

일실시예에서, 각 차량은 전력 수준 및/또는 다른 전기 파라미터(예컨대, 주파수, 진폭)에 대한 그 전기적 요구 또는 요청을 인프라 구조로, 예컨대 트랜스폰더 또는 센서(527)나 라디오, 광학, 음향 또는 유도 신호 시스템과 같은 다른 신호 시스템을 통해 전송한다. 세그먼트 제어 유닛은 각 차량의 요구나 요청에 따라 각 차량에 인접한 세그먼트(들)의 전력 및/또는 다른 전기적 파라미터를 조정한다. 노변 센서(526)와 트랜스폰더(527)가 일반적으로 각 로컬 세그먼트 제어 유닛(523)에 직접 연결(528, 529)되지만, 다른 실시예에서는 중앙 라인 제어 시스템(525)에 직접 연결된다.

세그먼트 전력 유닛의 추가 실시예는 전력 전달 시스템을 통하여 차량으로부터 기인한 바람직하지 않은 초과 전력을 흡수하기 위해 활성화될 수 있는 제어 가능한 부하를 포함한다. 이러한 부하의 목적은 차량의 열 관리 요구조건을 감소시키기 위해 차량으로부터 회생 제동을 통해 감속하는 동안 전기 에너지로 변환되는 운동 에너지와 같은 초과 에너지를 제거하는 것이다. 제어 가능한 부하는 열 싱크와 공기 순환 팬을 구비한 전력 저항으로 구현될 수 있고, 릴레이나 고체 상태 초핑 스위치와 직렬로 연결되어 제어 가능한 더미 부하를 생성한다. 이 제어 가능한 더미 부하는 전력 전달 연결의 인프라 구조 측에 연결된다. 제어 신호는 차량의 제어 시스템으로부터의 방열 요구에 기반하여 각 차량으로부터, 또는 중앙 라인 제어로부터, 또는 차량 제동을 감지하기 위해 힘 센서를 사용하는 등 각 차량의 방열 필요를 감지하는 시스템에 의해 전송될 수 있다.

세그먼트 전력 유닛은 가이드웨이에 연결되는 각 전력 도체에 대해 전류 감지 장치를 포함하여, 코로나나 다른 플라즈마 방전 전류와 같은 누설 전류, 용량성 연결 손실, 약한 절연체를 통한 전도, 빗물, 오염물, 흙, 생물학적 문제 및/또는 표류 물질을 감지할 수 있다. 각 전류 감지 장치는 일실시예에서, 저항에 걸친 전압 측정 장치와 직렬 연결된 저항으로 구현되거나, 다른 실시예에서 권선 중 하나가 세그먼트 전력 도체 회로를 통해 직렬 연결되고 권선 중 다른 하나는 전압 측정 장치에 연결된 변압기로 구현될 수 있다. 후자의 방법은 직류 전류를 감지하지 못하는 단점이 있지만, 전류 손실의 순간적인 변화 또는 교류 전류나 다른 시변 신호가 세그먼트 전력 라인에 인가될 때 전류 손실을 감지하는데 사용될 수 있다. 각 전류 감지 장치로부터의 신호는 룩업 테이블이나 다른 입력-출력-함수로 설계된 제어/결정 시스템으로 공급(531)되어, 전류 누설의 경우 대응하는 세그먼트 전압(또는 다른 파라미터)를 제어(또는 감소)하기 위해 신호(530)를 제공한다.

상기 특징 중 하나 이상으로 구성되는 대안적인 실시예에서, 세그먼트 전력 시스템은 플라즈마 전도를 필요로 하는 시스템을 넘어 추가 타입의 전기 가이드웨이 시스템에 적용된다. 이들 전력 시스템의 실시예는 MagLev, 선형 유도 모터, 선형 동기 모터, 차량에 대한 유도 전력 전달, 차량에 대한 현수선 및/또는 접촉식 선로 기반 전력 전달, 전자기 제동, 추진 또는 부상 시스템과 같은 전기 또는 전자기 시스템이 설치된 가이드웨이를 위해 설계된다. 세그먼트 전력 시스템은 단락, 절연체 열화, 기계적 손상, 코로나 방지의 경우 및/또는 유지 보수, 수리 작업 및/또는 가이드웨이를 따르는 차량의 대피 동안 사람 보호를 위해 및/또는 차량 전력 요청에 따른 가이드웨이 전력을 제어하기 위해 특정 영역을 끌 수 있는 세그먼트 제어를 제공한다.

일실시예에서, 세그먼트 전력 시스템은 낮은 기압으로 인해 플라즈마 기반 손실이 특히 효과적인 내부의 감소된 기압 환경을 포함하는 튜브 가이드웨이를 위해 설계된다. 여기서, 세그먼트 전력 시스템은 상술한 바와 같이 세그먼트에 대한 전압이나 전력을 감소시킨다. 특정 실시예에서, 시스템은 차량이 없는 동안, 누설 전류나 감소된 항복 전압을 겪는 세그먼트를 위해 및 상술한 바와 같은 사람의 침입 동안 전압이나 전력을 감소시킨다.

특정 실시예에서, 각 차량에서 수집되는 전력은 차량 상의 전력 변환 시스템의 입력으로 연결되는데, 그 출력 버스 전압을 필터링 및/또는 조절하여 전압이 감소된 세그먼트에 의해 유발된 변화, 세그먼트 간의 갭, 전력 전달 및/또는 세그먼트 전력 유닛 및/또는 세그먼트 전력 유닛에 공급하는 전원에 의해 유발된 노이즈를 감소시킬 수 있다. 이것은 벅 컨버터 및/또는 인덕터 및/또는 커패시터에 기반한 필터링과 같은 고체 상태 초퍼의 피드백 제어에 의해 달성될 수 있다.

특정 실시예에서, 역, 유지 보수 영역 및/또는 저장 영역을 포함하여 사람이 점유한 영역의 가이드웨이 세그먼트는 사람의 접촉의 경우에 감소된 전압이 공급된다.

선로 전극의 실시예로 구체적으로 돌아가면, 특정 실시예에서, 선로 전극은 인접 세그먼트 간의 갭을 가지도록 설치되어, (a) 한 세그먼트에서 다음 세그먼트로 직접 및/또는 (b) 한 세그먼트에서 차량 전극으로, 이어서 그 차량 전극에서 다른 선로 세그먼트로의 전도를 회피한다. 특정 실시예에서, 각 차량은 (a) 세그먼트 간의 갭, (b) 차단된 세그먼트, (c) 감소된 전압의 세그먼트를 지나는 동안 전력 손실에 대응하기 충분한 백업 또는 예비 전력으로 설계된다.

차동 전력 전송(두 상이한 비-제로 전압이 단면에서 2개의 선로 전극으로 각각 전달됨)의 경우, 유지 보수 또는 대피 중 0의 전압을 보장하는 안전 보호를 위하여 선로 전극의 각 쌍은 일반적으로 대칭적으로 제어된다(예컨대, 동시에 둘 모두를 켜거나 끄고, 및/또는 동일하지만 반대의 전압). 예외가 다른 것에 비해 한 전극에서 누설이나 고장 문제가 더 감지되는 경우이다. 차동 전력 전송을 위해 각 세그먼트(501-516)는 전력 제어 유닛(521, 522)로부터 두 연결을 가지고, 두 선로 전극이 각 세그먼트에서 분리된다. 접지 전극은 선택적이다. 만약 가이드웨이의 접지로의 전도가 제공되지 않으면(예컨대, 특정 부상 차량의 경우), 차량 섀시 전압 조절 시스템이 차량에 포함될 수 있다. 단일 종단 전력 전송(단면의 한 선로 전극이 접지나 중립 전극에 대해 에너지가 공급됨)의 경우, 도 4에서와 같이 각 세그먼트의 단일 비접지 전극이 일반적으로 스위칭된다. 차동 또는 단일 종단 전력 전송의 경우, 임의의 접지되거나 중성 선로나 전극 및/또는 선로 인프라 구조의 접지되거나 중성 부분이 일반적으로 안전을 위해 연결되고 및/또는 접지된다.

특정 실시예에서, 열화(예컨대, 전기 도금, 산화 또는 다른 화학적 프로세스)될 때 열화된 물질이 전기 전도성을 현저히 감소시키지 않도록 전극 외부 표면의 물질이 선택된다. 예를 들어, 일실시예에서 구리가 전극 물질로 채용될 수 있는데, 구리 산화물은 구리에 비해 전도성이 단지 약간만 감소하기 때문이다. 반대로, 알루미늄은 좋지 않은 선택인데 알루미늄 산화물은 전도성이 좋지 않기 때문이다.

전극의 추가 실시예는 전극 벌크 3D 몸체로, 또는 단순히 표면 상의 코팅되는 다음 물질을 포함한다.

● 전하 캐리어의 방출을 돕기 위해 낮은 일 함수를 가지는 코팅 또는 벌크 재료(예컨대, 토륨).

● 국부적인 온도 상승으로 인한 아크로 인한 표면 점식을 감소시키기 위한 코팅 또는 벌크 재료. 일반적으로 높은 용융 온도, 예컨대 텅스텐.

● 대응하는 선로 전극의 손상이나 열화를 줄이기 위한 차량 전극 상의 코팅 또는 벌크 물질.

● 대응하는 차량 전극의 손상이나 열화를 줄이기 위한 선로 전극 상의 코팅 또는 벌크 물질.

코팅으로서 증착시키는 기술은: 전기 도금, 화학 결합 또는 기계적 증착 또는 장착을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 시스템의 구성 후 및 사용 사이에, 전극은 임의의 산화나 화학적 열화가 나타나면, 또는 점식이나 다른 기하학적 변형이 생성된 경우 필요에 따라 규칙적으로 닦거나 연마된다. 산화나 다른 열화는 전기 저항에 대한 영향에 따라 평가될 수 있다: 저항을 더 증가시키는 추가 열화가 일어나게 하는, 전기 전도 중 온도나 반응성이 증가하기에 저항이 충분히 높은 물질은 제거 또는 청소되어야 한다. 점식이나 다른 기하학적 변형은 아크 전류나 열의 일부를 현저히 집중시켜 급격한 열화 또는 전극들 간의 기계적 충격의 위험을 생성하기 때문에, 연마해야 한다.

일실시예에서, 슈나 브러시가 차량 픽업에 장착되어, 전력 전도를 위한 접촉 기반 모드 작동을 가능하게 한다. 슈는 철도 산업에서 사용되는 표준 파워 픽업 슈로 구성될 수 있으며, 열차와 전력 전달 레일 사이의 접촉을 위해 일반적으로 사용되는 타입이다. 슈는 배치되면, 차량 전극보다 선로 전극에 더 가까운 거리에 있도록 장착되어 선로 및 차량 전극 간의 긁힘 손상을 회피한다. 액추에이터가 슈를 후퇴 및 전개시키기 위해 설치될 수 있는데, 접촉 모드 중 전개되고 아크 모두 중 후퇴한다. 이 액추에이터는 차량 전극 구조를 차량 접촉 슈에 연결하기 위해 장착될 수 있는데, 슈가 전술한 위치 제어 시스템 및/또는 전력 전달 배선의 장점을 취할 수 있게 한다. 후자와 관련하여, 선택적으로 전력 전달 배선은 공유될 필요가 없고, 슈는 전극의 주 전력 배선과 다른 배선으로 연결될 수 있는데, 슈를 전극과 상이한 전력 전자 장치에 직접 연결하여 슈 동작 중 상이한 기대 선로 전압을 고려하기 위함이다. 이것은 직렬 연결 절연 릴레이와 같은 회로 보호가 필요한데, 플라즈마 전달 고전압이 슈에 들어와 아크 전도 동작 중 슈 회로를 손상시키는 것을 막기 위하여 슈가 후퇴할 때마다 개방될 수 있다.

접촉 모드 동작은 (a) 주변 압력의 증가, (b) 선로 전극에서 낮은 전압 가용성의 상황에 사용될 수 있는데, 어떤 경우든 아크가 발생하기 위해 요구되는 전기적 항복 전압은 주어진 주변 압력 및 차량 전극과 선로 전극 간의 바람직한 갭 분리에 대해 동작 전압보다 높을 것이다.

상기 설명은 단지 예시를 의미하는 것이고, 통상의 기술자는 개시된 발명의 범위를 벗어남 없이 서술된 실시예에 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위에 속하는 또 다른 변형이 본 명세서의 검토를 고려하면 통상의 기술자에게 명백할 것이고, 이러한 변형은 첨부된 청구항에 속하도록 의도된다.

Claims (10)

1. 차량을 적어도 하나의 선로 전극에 전기적으로 연결하기 위한 시스템으로서, 선로 전극(들)은 전기 전도성인 레일이고, 시스템은:
   적어도 하나의 차량 전극;
   액추에이터;
   차량 전극에 동작 가능하게 장착된 센서; 및
   센서에 의하여 감지된 거리의 변화의 함수로서 액추에이터를 구동시키기 위하여 액추에이터에 동작 가능하게 연결된 컨트롤러를 포함하고,
   각 차량 전극은 선로 전극 중 각 하나와 전기적으로 연결되도록 구성되고,
   각 차량 전극은 액추에이터에 의하여 차량의 구조에 대한 차량 전극의 변위를 위하여 차량의 구조에 동작 가능하게 연결되고, 액추에이터는 차량 전극과 선로 전극 중 각 하나 간의 거리를 변화시키도록 동작 가능하고,
   센서는 거리의 변화를 감지하고,
   시스템은 차량이 선로 전극에 대해 이동하는 동안 플라즈마 상태의 물질을 통하여 차량 전극과 선로 전극의 각 거리-제어되는 쌍 간에 전류를 전도시키도록 동작하고, 시스템은 하나 이상의 전극에 누적된 열을 전달하기 위한 냉각 시스템을 포함하고, 냉각 시스템은 하나 이상의 전극 및 하나 이상의 전극보다 낮은 온도인 열 싱크 간에 순환하는 액체 냉각제 루프를 포함하고, 액체 냉각제는 낮은 전기 전도성 물질인 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   전극의 외부 표면은 텅스텐과 같은 높은 녹은점의 물질로 이루어지는 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   전력 전도를 위한 접촉 기반 모드 동작을 위해 플라즈마 기반 차량 전극 상의 기계적 소모를 피하기 위해 하나 이상의 선로 전극과 저속으로 접촉하는 하나 이상의 차량 전극도 포함하는 시스템.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   차량 전극 중 적어도 하나는 차량 전극을 덮는 분배 물질을 점진적으로 교체하기 위한 분배 메커니즘을 가지는 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   분배 물질은 스트립이나 와이어의 형태이고, 분배 메커니즘은 2개의 스풀을 더 포함하고, 스풀 중 하나는 사용되지 않은 분배 물질을 전달하고, 스풀 중 다른 하나는 사용된 분배 물질을 수집하는 시스템.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   낮은 전기 전도성 액체 냉각제는 기름인 시스템.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   적어도 하나의 광원은 차량의 임의의 구조에 장착되고, 상기 광원은 선로 및 차량 전극 간의 플라즈마 발산을 개시하기 위하여 선로 전극 및 차량 전극 중 하나를 향하는 광학 플라즈마 입사 빔을 생성하도록 동작 가능한 시스템.
8. 차량 및 전기 전도성인 선로 전극을 포함하는 운송 시스템으로서, 차량은 전기 모터, 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 전기 연결 시스템 및 장착된 전기 발생기를 포함하고, 전력은 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 전기 연결 시스템을 통하여 선로 전극에서 모터로 및/또는 발생기에서 선로 전극으로 전달되는 운송 시스템.
9. 청구항 8에 있어서,
   표면층은 적어도 하나의 전극의 몸체에 분리 가능한 장착으로 고정되어 층이 유지보수 동안 교체될 수 있고, 표면층은 열 전달을 가능하게 하도록 전극의 몸체 및/또는 냉각 시스템에 열적으로 연결되는 운송 시스템.
10. 둘 이상의 선로 전극에서 차량으로 및 차량에서 둘 이상의 선로 전극으로 전력을 전달하기 위한 운송 전력 공급 시스템으로서:
    선로 전극;
    차량이 선로 전극에 대해 이동하는 동안 차량을 선로 전극에 전기적으로 연결하기 위한 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 시스템;
    차량의 내부 전력 시스템에 전기적으로 연결되는 차량 전극; 및
    센서 판독의 함수에 따라 다수의 트랙 세그먼트를 제어하는, 센서 및 전력 회로에 연결되는 제어 회로를 포함하고,
    선로 전극은 차량에 인접하여 배치되고 차량의 이동 방향을 따라 연장하고, 선로 전극은 선로의 길이를 따르는 세그먼트에서 하나 이상의 공통 축을 따라 배열되나 서로 전기적으로 이격하기 위하여 간격에 의하여 분리되고,
    각 차량 전극은 차량의 모터 및/또는 발생기로 또는 모터 및/또는 발생기로부터 전력을 전달하기 위하여 각 선로 전극으로 또는 각 선로 전극으로부터 전류를 전달하기 위하여 위치하고,
    운송 전력 공급 시스템은 선로 전극에 전기적으로 연결된 노변 전력 시스템; 선로를 따른 차량 위치, 각 트랙 세그먼트에서 소비되는 전류, 각 트랙 세그먼트의 전압 또는 트랜을 따른 인간의 존재 중 적어도 하나를 감지하는 센서를 더 포함하고, 노변 전력 시스템은 각 선로 전극 세그먼트의 온/오프 상태, 전압 또는 전류 중 적어도 하나를 독립적으로 제어하기 위한 전력 회로를 포함하는 운송 전력 공급 시스템.

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