KR20230056921A - 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기부상차량을 위한 선형 추진 시스템을 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템은 레일을 따라 서로 나란하게 배치된 복수의 선형 전동기 및 상기 선형 전동기에 각각 인가되는 전류 공급을 제어하는 제어부를 포함하되, 서로 인접한 제 1 선형 전동기의 코일과 제 2 선형 전동기의 코일이 소정 구간 동안 서로 중첩하면서, 전기적으로 절연되도록 배치된다. 이때, 상기 제어부는 상기 자기부상차량이 상기 제 1 선형 전동기와 상기 제 2 선형 전동기의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서, 상기 제 1 선형 전동기에 인가되는 전류와 상기 제 2 선형 전동기에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어한다.

Description

자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템{LINEAR PROPUSION SYSTEM FOR MAGNETIC LEVITATION VEHICLE}

본 발명은 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템에 관한 것이다.

자기 부상 추진은 전기 자기력을 이용하여, 궤도로부터 일정한 높이로 부상하여 추진하는 것을 말한다. 자기 부상 차량은 궤도와 궤도 상에서 비접촉으로 부상 및 추진하는 대차를 포함한다.

자기 부상 차량은 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 차량에 적용하고, 상전도 방식은 중속도의 중단거리용 차량에 적용하고 있다.

또한, 유효한 구간에서 전력을 효율적으로 공급하는 긴 고정자를 이용한 선형기에 대한 최근 활발히 연구되고 있다. 이러한, 긴 고정자(Long stator)를 갖는 선형기는 에너지 효율 개선을 위해 긴 고정자 권선을 분할하여 전력을 공급하고, 섹션 제어를 통해 차량이 통과중인 섹션에만 전력을 공급할 수 있다.

독일과 일본의 자기부상차량에 적용된 섹션전환 기술은 기계식 스위치를 통해 각 섹션에 순차적으로 전력을 공급하는 방식을 적용하였다.

도 1을 참조하면, 이러한 자기부상차량에 적용된 섹션전환 기술의 동작시퀀스는 차량이 신규구간(N+1)에 진입 전 기계식 스위치(S+1) ON 하고, N+1구간 권선에 정격전류를 인가한다. 통과한 구간(N)은 전류를 먼저 0으로 감소시킨 후 기계적인 스위치(S)를 OFF 방식으로 운영된다. 또한 차량 진입전에 신규구간(N+1)에 정격전류가 인가되고 있기 때문에 이상적으로 추진성능 저하 및 리플없이 추진력을 얻을 수 있다.

하지만, 이러한 방식은 맥동 없는 추진력을 없을 수 있다는 장점이 있지만, 에너지 공급 측면에서는 문제점이 존재한다. 차량은 추진력을 얻기 위해 통과중인 섹션(N)에 정격전류가 인가된다. 또한, 차량이 진입하지는 않았지만 신규 섹션(N+1)에도 정격전류가 미리 인가되어야 추진력저하 또는 맥동없이 추진이 가능하다. 이처럼 섹션(N)과 (N+1)에 동시에 정격전류가 인가되는 중첩구간이 발생하여 요구하는 전력이 최대 2배까지 증가할 수 있다. 이는 추진시스템의 전원장치 용량을 정격보다 과도하게 높게 설계하게 만들고, 에너지 소모를 증가시키는 문제점이 있다.

일본등록특허 제3202765호(발명의 명칭: 초전도 자기 부상식 철도의 급전 방식)

본 발명의 일부 실시예는 선형 전동기의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서 발생하는 전력 소모들을 최소화할 뿐만 아니라, 자기 부상 차량에 일정한 추진력을 제공하는 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템은 레일을 따라 서로 나란하게 배치된 복수의 선형 전동기 및 상기 선형 전동기에 각각 인가되는 전류 공급을 제어하는 제어부를 포함하되, 서로 인접한 제 1 선형 전동기의 코일과 제 2 선형 전동기의 코일이 소정 구간 동안 서로 중첩하면서, 전기적으로 절연되도록 배치된다. 이때, 상기 제어부는 상기 자기부상차량이 상기 제 1 선형 전동기와 상기 제 2 선형 전동기의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서, 상기 제 1 선형 전동기에 인가되는 전류와 상기 제 2 선형 전동기에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어한다.

본 발명은 서로 인접한 선형 전동기의 코일을 소정 구간 동안 서로 중첩하도록 배치하여, 선형 전동기의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서 발생하는 전력 소모들을 최소화할 뿐만 아니라, 자기 부상 차량에 일정한 추진력을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 자기 부상 차량을 위한 선형 추진시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일의 섹션 전환구간에서의 전력 공급을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일의 섹션 전환구간에서의 전력 공급을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 추진 시스템의 기자력을 설명하기 위한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 부상 차량을 위한 선형 추진 시스템의 개념도이다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 부상 차량(10)을 위한 선형 추진 시스템(100)(이하, ‘선형 추진 시스템(100)’이라 함)에 대해서 설명한다.

선형 추진 시스템(100)은 레일을 따라 서로 나란하게 배치된 복수의 선형 전동기(110, 120) 및 선형 전동기(110, 120)에 각각 인가되는 전류 공급을 제어하는 제어부(미도시됨)를 포함한다.

선형 전동기(110, 120)는 자기 부상 차량(10)의 진행방향을 따라 자기 부상 차량(10)의 좌측 및 우측에 각각 배치될 수 있다. 예시적으로, 각각의 선형 전동기(110, 120)는 긴 고정자 코어와 고정자 코어에 권선된 코일(111, 121)을 포함할 수 있다.

제어부는 선형 전동기(110, 120)에 각각 인가되는 전류 공급을 제어한다. 이때, 선형 전동기(110, 120)는 인버터로부터 전력이 인가됨에 따라 기자력이 형성되어 자기 부상 차량(10)에 부상력, 추진력 및 안내력을 제공할 수 있다.

도 3을 참조하면, 선형 전동기(110, 120)는 서로 인접하게 배치되는 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)을 포함하되, 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)은 소정 구간 동안 서로 중첩하면서 배치될 수 있다. 이때, 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)이 중첩되는 구간에서 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111) 또는 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)은 절연층으로 코팅되어, 전기적으로 절연되도록 배치될 수 있다.

예시적으로, N-1 섹션에 위치한 제 1 선형 전동기(110)는 긴 고정자 코어와 고정자 코어에 권선된 복수의 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)을 포함하고, N 섹션에 위치한 제 2 선형 전동기(120)는 긴 고정자 코어와 고정자 코어에 권선된 복수의 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)을 포함할 수 있다. 또한, N-1 섹션 중 N 섹션과 인접한 부분의 소정 구간에 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)이 서로 중첩하여 배치되고, N 섹션 중 N-1 섹션과 인접한 부분의 소정 구간에 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)과 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)이 서로 중첩하여 배치될 수 있다. 이때, 제 1 선형 전동기(110) 및 제 2 선형 전동기(120)에 권선된 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111) 및 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)은 동일한 횟수로 권선될 수 있다.

제어부는 자기 부상 차량(10)이 제 1 선형 전동기(110)와 제 2 선형 전동기(120)의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서, 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류와 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일(111, 121)의 섹션 전환구간에서의 전력 공급에 대해서 설명한다.

제어부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 섹션 전환 구간에서 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류가 선형적으로 감소하도록 하고, 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류가 선형적으로 증가하도록 할 수 있다. 이때, 제어부는 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류와 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류가 선형적으로 감소할 때, 감소되는 전류량과 동일한 전류량을 제 2 선형 전동기(120)에 인가하여, 섹션 전환 구간에서 자기 부상 차량(10)으로 일정한 추진력을 제공할 수 있다.

다른 실시예로는, 제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이, 섹션 전환 구간에서 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류가 계단형으로 감소하도록 하고, 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류가 계단형으로 증가하도록 할 수 있다. 이때, 제어부는 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류와 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어할 수 있다. 다시 말해, 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류가 계단형으로 감소할 때, 감소되는 전류량과 동일한 전류량을 제 2 선형 전동기(120)에 인가하여, 섹션 전환 구간에서 자기 부상 차량(10)으로 일정한 추진력을 제공할 수 있다.

선형 전동기(110, 120)에서 발생하는 기자력은 코일(111, 121)에 흐르는 전류 및 선형 전동기(110, 120)에 권선된 코일(111, 121)이 감긴 수와 비례한다. 또한, 제 1 선형 전동기(110)에서 코일(111)이 중첩되지 않는 구간에서의 코일(111)이 권선된 수와 섹션 전환 구간에서 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)이 권선된 수가 동일하고, 섹션 전환 구간에서 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)이 권선된 수와 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)이 권선된 수가 동일하기 때문에 제 1 선형 전동기(110)에 인가되는 전류와 제 2 선형 전동기(120)에 인가되는 전류의 합이 일정할 경우, 제 1 선형 전동기(110)에서 코일(111, 112)이 중첩되지 않는 구간과 코일(111, 112)이 중첩되는 구간에서 동일한 기자력이 발생하며, 이에 따라 자기부상차량(10)을 안정적으로 운행할 수 있다.

상세하게는, 도 5를 참조하면, 제 1 선형 전동기(110)에서 코일(111, 112)이 중첩되지 않는 구간의 기자력과 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)이 중첩되는 구간의 기자력과 제 2 선형 전동기(120)에서 코일(111, 112)이 중첩되지 않는 구간의 기자력이 모두 동일해지도록, 중첩 구간이 설정될 수 있다.

상세하게는, 자기부상차량(10)이 N-1 구간의 선형 전동기(110)를 통과할 경우, N-1구간에 위치한 선형 전동기(110)에 의해 발생하는 기자력은 아래 [수학식 1]을 통해 산출할 수 있다.

이때, F : 기자력, N : 코일이 감긴 수, I : 코일에 흐르는 전류

자기부상차량(10)이 N 구간의 선형 전동기(120)를 통과할 경우, N구간에 위치한 선형 전동기(120)에 의해 발생하는 기자력은 아래 [수학식 2]를 통해 산출할 수 있다.

이때, F : 기자력, N : 코일이 감긴 수, I : 코일에 흐르는 전류

자기부상차량(10)이 N-1구간의 선형 전동기(110)의 코일(111)과 N 구간의 선형 전동기(120)의 코일(121)이 중첩되는 구간을 통과할 경우, 중첩 구간에서 발생하는 기자력은 아래 [수학식 3]을 통해 산출할 수 있다.

이때, F : 기자력, N : 코일이 감긴 수, I : 코일에 흐르는 전류

즉, 중첩 구간에서 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)의 코일(121)의 감긴 수가 동일함으로, 제 1 선형 전동기(110)의 코일(111)과 제 2 선형 전동기(120)에 흐르는 전류의 합이 N-1 구간 및 N 구간에 공급되는 전류의 크기와 동일할 경우, N-1 구간, 중첩 구간 및 N구간에서의 기자력은 동일할 수 있다. 이에 따라, 자기부상차량(10) 운행 시, 복수의 선형 전동기(110, 120)로부터 전달받는 기자력이 일정하여 자기부상차량(10)을 안정적으로 운행할 수 있는 효과가 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 자기 부상 차량
100 : 선형 전동 추진 시스템
110 : 제 1 선형 전동기 111 : 코일
120 : 제 2 선형 전동기 121 : 코일

Claims (5)

1. 자기부상차량을 위한 선형 추진 시스템에 있어서,
   레일을 따라 서로 나란하게 배치된 복수의 선형 전동기 및
   상기 선형 전동기에 각각 인가되는 전류 공급을 제어하는 제어부를 포함하되,
   서로 인접한 제 1 선형 전동기의 코일과 제 2 선형 전동기의 코일이 소정 구간 동안 서로 중첩하면서, 전기적으로 절연되도록 배치되고,
   상기 제어부는 상기 자기부상차량이 상기 제 1 선형 전동기와 상기 제 2 선형 전동기의 사이를 통과하는 섹션 전환구간에서, 상기 제 1 선형 전동기에 인가되는 전류와 상기 제 2 선형 전동기에 인가되는 전류의 합이 일정하도록 제어하는 선형 추진 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제 1 선형 전동기에 인가되는 전류가 선형적으로 감소하도록 하고, 상기 제 2 선형 전동기에 인가되는 전류가 선형적으로 증가하도록 하는 것인, 선형 추진 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제 1 선형 전동기에 인가되는 전류가 계단형으로 감소하도록 하고, 상기 제 2 선형 전동기에 인가되는 전류가 계단형으로 증가하도록 하는 것인, 선형 추진 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 선형 전동기에서 코일이 중첩되지 않는 구간의 기자력과 상기 제 1 선형 전동기의 코일과 상기 제 2 선형 전동기의 코일이 중첩되는 구간의 기자력과 상기 제 2 선형 전동기에서 코일이 중첩되지 않는 구간의 기자력이 모두 동일해지도록, 상기 중첩 구간이 설정되는 것인, 선형 추진 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 선형 전동기의 코일과 상기 제 2 선형 전동기의 코일이 중첩되는 구간에서 상기 제 1 선형 전동기의 코일 또는 제 2 선형 전동기의 코일은 절연층으로 코팅된 것인, 선형 추진 시스템.

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