KR20230135817A - 철도차량용 필터리액터 - Google Patents

Abstract

철도차량용 필터리액터를 개시한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 외함; 상기 외함의 중심축을 기준으로 상기 외함에 권선되는 복수의 제1 단위코일을 포함하는 제1 코일부; 및 복수의 제2 단위코일을 포함하는 제2 코일부를 포함하되, 상기 복수의 제1 단위코일 및 상기 복수의 제2 단위코일 각각은 직렬 형태로 연결되고, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 병렬 형태로 연결되며, 상기 중심축과 수직인 대칭축을 기준으로, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 상호 대칭되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 필터리액터를 제공한다.

Description

철도차량용 필터리액터{Filter Reactor for Railroad Vehicle}

본 개시는 철도차량용 필터리액터에 관한 것이다.

필터리액터는 철도 차량에서 선로차단기와 추진제어장치 사이에 설치되는 리액터로서, 필터캐패시터와 결선되어 필터회로를 구성하며, 추진제어장치 내의 컨버터 및 인버터가 작동할 때 발생하는 리플을 제거하는 평활회로 역할을 수행한다. 외부로부터 공급된 1500V의 직류전압은 필터리액터를 경유하여 필터캐패시터로 인가되고, 필터캐패시터에 인가된 전압은 추진제어장치의 컨버터와 인버터가 필요로 하는 전압을 공급한다. 이때, 필터리액터는 전류를 평활하는 역할을 하고, 필터캐패시터는 전압을 평활하는 역할을 한다

도 1은 필터리액터(10)를 도시한 사시도이며, 도 1에 나타나있는 바와 같이, 필터리액터(10)는 원통형으로 권선된 코일부(11) 및 외함(12)으로 구성되어 있다. 외함(12)은 코일부(11)를 외함(12)의 내부에 견고하게 고정하면서 코일부(11)의 외부를 감싸서 코일부(11)를 보호하는 역할을 하며, 필터리액터(10)를 철도차량에 견고하게 장착하는 기구물의 기능을 한다. 외함(12)은 격자무늬의 개구부를 구비하여 필터리액터(10)는 열차 주행시 주행풍에 의해 자연냉각방식으로 방열이 수행된다.

필터리액터(10)에서 발생한 열을 냉각하기위한 기술로 공개실용신안 20-1998-0049565이 있고, 발생된 열을 발전에 활용하는 기술로 특허등록 10-1456888이 있으나, 필터리액터(10)의 공심코일을 권선하는 방법과 단자를 인출하는 기술에 대해서는 개발이 전혀 없으므로 이에 대한 연구개발이 필요한 상황이다.

필터리액터(10)는 가로, 세로, 높이가 각각 약 900mm, 무게가 약 650kg 정도 되는 큰 부품으로서, 통상적으로 진동과 충격이 심한 고속주행 철도차량 구체 하부에 장착되어 사용된다. 따라서, 기계적인 측면에서 진동과 충격을 견디기 위해 필터리액터(10)의 외함(12)의 내부에 위치하는 코일부(11)는 외함(12)에 견고하게 고정이 되어야 하며, 외함(12)은 철도차량 구체의 하부에 견고히 장착되어야 한다. 외함(12)은 철도차량의 구체에 볼트를 이용하여 체결되므로 외함의 전위는 철도차량의 전위와 동일하다. 철도차량이 대지의 전위인 0V를 갖기 때문에 외함의 전위는 0V가 된다.

한편, 외함(12) 내부에 고정되는 코일부(11)에는 1500V의 직류 고전압이 인가되므로 코일부(11)를 권선할 때 내열성 및 내염성의 메타 아라미드 섬유 절연물로 감싸서 절연성을 부여하며, 외함(12)의 중앙부에 코일부(11)를 견고하게 위치시키되, 접지 전위인 0V의 외함(12)과 1500V 직류 고전압의 코일부(11) 간에 절연이 보장될 수 있도록 공간적으로 간격을 부여한다.

도 2는 필터리액터(10)의 코일부(11)를 구성하기 위한 결선도의 일례를 나타낸다. 코일부(11)는 10개의 단위코일부(21 내지 30)로 구성이 되는데, 외부에서 인가되는 1500V의 직류 고전압을 1/5인 300V로 분배하기 위하여 단위코일부를 5개씩(21 내지 25, 26 내지 30) 직렬 결선하고, 전류를 절반씩 분배하여 흘리기 위하여 2개의 병렬 결선을 하여, 5직렬2병렬(5S2P) 구조의 코일부(11)로 구현한다.

도 3은 종래의 5직렬2병렬 방식의 권선방식을 나타낸다. 다섯개의 단위코일부(331 내지 335) 및 또 다른 다섯개의 단위코일부(336 내지 340)로 각각 5직렬의 코일부를 구성하고, 단자(31)과 단자(32)에서 결선을 함으로써 2병렬을 구현한다. 외부에서 1500V의 직류 고전압이 단자(32)에 인가되는 순간, 5직렬 결선이므로, 외함(12) 내부의 좌측 내벽에 인접한 첫번째 단위코일부(331)과 중앙부의 단위코일부(336)에는 1500V가 인가되고, 두번째 단위코일부(332)와 단위코일부(337)에는 1500V의 1/5 전압인 300V가 낮은 1200V, 세번째 단위코일부(333)과 단위코일부(338)에는 1500V의 2/5 전압인 600V가 낮은 900V, 네번째 단위코일부(334)와 단위코일부(339)에는 1500V의 3/5 전압인 900V가 낮은 600V, 다섯번째 단위코일부(335)와 단위코일부(340)에는 1500V의 4/5 전압인 1200V가 낮은 300V가 인가된다.

한편, 외부에서 1500V의 직류 고전압이 단자(31)에 인가되는 순간에는 외함(12) 내부의 우측 내벽에 인접한 단위코일부(340)과 중앙부의 단위코일부(335)에는 1500V가 인가된다. 이와 같이 1500V 직류 고전압을 단자(31) 또는 단자(32) 중 어디에 인가하더라도 접지 전위인 0V를 갖는 외함(12) 내부의 좌측 혹은 우측의 내벽에 대향하여 항상 1500V의 직류 고전압이 근접 배치되게 되므로 절연능력 확보에 불리하다.

철도차량은 철로 상에서 고속 주행으로 인하여 진동과 충격이 심한 열악한 환경인 바, 우수한 절연상태를 확보하기 위하여 1500V 직류 고전압이 인가되는 코일부(11)의 개소를 외함(12)의 좌측 혹은 우측 내벽과는 근접하지 않도록 하여 중앙부에 위치시킬 필요가 있다.

본 발명은 고속 주행의 철도차량에 사용하는 필터리액터에 있어서 진동과 충격이 심한 환경하에서도 고전압에 대한 절연 능력이 우수한 코일부의 권선 방법과 단자 결선 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 외함; 상기 외함의 중심축을 기준으로 상기 외함에 권선되는 복수의 제1 단위코일을 포함하는 제1 코일부; 및 복수의 제2 단위코일을 포함하는 제2 코일부를 포함하되, 상기 복수의 제1 단위코일 및 상기 복수의 제2 단위코일 각각은 직렬 형태로 연결되고, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 병렬 형태로 연결되며, 상기 중심축과 수직인 대칭축을 기준으로, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 상호 대칭되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 필터리액터를 제공한다.

고속 주행 철도차량의 열악한 진동 및 충격 환경에서 직류 고전압에 대하여 필터리액터의 코일부에 양호한 절연 환경을 구현할 수 있다.

도 1은 철도차량용 필터리액터의 사시도이다.
도 2는 철도차량용 필터리액터의 코일부 결선도이다.
도 3은 종래 방식의 철도차량용 필터리액터의 코일부 권선 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터리액터의 코일부 권선 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터리액터 제작 실물이다.

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 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서에 기재된 '?…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 대한 설명은, 다른 실시예에도 적용될 수 있음을 밝혀 둔다.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 발명의 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

도 1은 철도차량용 필터리액터의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터리액터의 코일부 권선 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터리액터 제작 실물이다.

도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 철도차량용 필터리액터는 외함(12), 제1 코일부, 제2 코일부, 제1 단자(41) 및 제2 단자(42)를 포함할 수 있다.

제1 코일부는 복수의 제1 단위코일(431 내지 435)를 포함할 수 있으며, 제2 코일부는 복수의 제2 단위코일부(436 내지 440)를 포함할 수 있다.

복수의 제1 단위코일(431 내지 435)은 외함(12)의 중심축을 기준으로 외함(12)에 권선될 수 있다. 복수의 제2 단위코일(436 내지 440)은 외함(12)의 중심축을 기준으로 외함(12)에 권선될 수 있다. 복수의 제1 단위코일(431 내지 435)은 상호 간에 전기적으로 직렬 형태로 연결될 수 있다. 복수의 제2 단위코일(436 내지 440)은 상호 간에 전기적으로 직렬 형태로 연결될 수 있다. 제1 코일부와 제2 코일부는 전기적으로 병렬 형태로 연결될 수 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 제1 단위코일(431 내지 435) 및 제2 단위코일(436 내지 440)로 5직렬의 제1 코일부 및 제2 코일부 각각을 구성하고, 제1 단자(41)와 제2 단자(42)에서 제1 코일부와 제2 코일부를 결선하여 2병렬을 구현할 수 있다.

외부에서 1500V의 직류 고전압이 제1 단자(41)에 인가되는 순간에, 5직렬 결선이므로, 외함(12)의 중심축과 수직인 대칭축에 가장 인접하게 위치한, 즉 외함(12)의 가장 내측에 위치한 제1 단위코일(435)과 제2 단위코일(436)에는 1500V가 인가되고, 다른 제1 단위코일(434)과 제2 단위코일(437)에는 300V 낮은 1200V, 또 다른 제1 단위코일(433)과 제2 단위코일(438)에는 600V 낮은 900V, 네번째 제1 단위코일(432)과 제2 단위코일(439)에는 900V 낮은 600V, 외함(12)의 가장 외측에 위치한 제1 단위코일(431)과 제2 단위코일(440)에는 1200V 낮은 300V가 인가된다.

즉, 외부로부터 공급되는 1500V 직류 고전압을 외함(12)의 가장 내측에 위치한 제1 단위코일(435)과 제2 단위코일(436)에 공통으로 연결이 되어 있는 제1 단자(41)에 인가하는 경우, 외함(12)의 중앙부의 단위코일(435 및 436)에는 직류 고전압이 걸리고, 외함(12)의 좌측과 우측 내벽에는 상대적으로 낮은 전압이 걸리는 단위코일(431 및 450)이 대향하므로 우수한 절연 환경이 확보된다.

반대로, 외부에서 공급되는 1500V의 직류 고전압을 제2 단자(42)에 인가하면, 직류 고전압이 외함(12)의 좌우측 내벽에 위치한 단위코일(431 및 440)에 걸려 외함(12) 내부의 좌우 내측벽과 대향하므로 양질의 절연 능력을 확보할 수 없다.

따라서, 1500V 등의 직류 고전압은, 외함(12)의 가장 내측에 위치한 단위코일(435 및 436)과 연결되는 제1 단자(41)에 인가될 필요가 있다. 뿐만 아니라, 제1 코일부와 제2 코일부는 외함(12)의 중심축과 수직인 대칭축을 기준으로 상호 대칭되도록 형성되어야 한다. 여기서, 대칭축은 도 4에서 제1 단위코일(435)과 제2 단위코일(436) 사이의 가상의 세로축을 의미한다.

제2 단자(42)는 복수의 제1 단위코일(431 내지 435) 중 외함(12)의 가장 외측에 배치되는 어느 하나의 제1 단위코일(431)과, 복수의 제2 단위코일(436 내지 440) 중 외함(12)의 가장 외측에 배치되는 어느 하나의 제2 단위코일(440)을 연결한다. 제2 단자(42) 철도차량의 추진제어장치의 입력단과 연결될 수 있다.

도 4에서 예로서, 코일부는 5직렬2병렬이므로 10개의 단위코일(431 내지 440)이 필요한데, 이를 구현하기 위해서는 우선, 약 10t 두께의 알루미늄 코일을 수십번의 턴수를 갖는 나선형으로 권선해서 서브단위코일 20개를 만든다. 단위코일은 2개의 서브단위코일로 구성이 되므로, 서브단위코일 2개를 취하여 하나는 시계방향으로 감겨 들어가게 취하고, 다른 하나는 시계방향으로 감겨 나오게 취해서 중심부를 결선하여 제1 단위코일(431)을 만든다. 제2 단위코일(440)은 제1 단위코일(431)과 대칭축을 기준으로 대칭되도록 배치되어야 하므로 그 반대방향으로 결선하여 구현한다.

본 발명은, 도 4의 5직렬2병렬의 경우, 제1 단위코일(431)과 같은 권선을 갖는 5개의 코일로 5직렬을 구성하고, 제2 단위코일(440)과 같은 권선을 갖는 5개의 코일로 5직렬을 구성한 후, 전술한 두개의 5직렬을 제1 단자(41)와 제2 단자(42)로 2병렬을 구성하는 권선방법과, 제1 단자(41)에 외부 직류 고전압을 인가하여 고압부가 외함(12)의 중앙에 항상 위치하는 단자 결선방법을 제공함으로써 진동과 충격이 심한 철도차량의 환경에서 직류 고전압에 대한 우수한 절연 능력을 필터리액터에 제공한다.

본 발명은 접지의 전위인 0V를 갖는 외함(12)의 좌측 또는 우측의 내벽에 대향하여 배치된 제1 단위코일(431) 또는 제2 단위코일(440)에 1500V의 직류 고전압이 인가되지 않고, 항상 외함(12)의 중앙에 위치한 제1 단위코일(435) 및 제2 단위코일(436)에만 직류 고전압이 인가되므로, 특히, 주행중에 철도 임의의 구간에서 1500V 직류 고전압이 공급되다가 차단되고 이후 다시 재공급 되는 경우, 즉, 단위 시간당 직류 고전압의 변동이 심한 상태로 직류 고저압이 급전된 경우에 더욱 양질의 절연 능력을 보장한다.

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.

10: 필터리액터
11: 코일부
12: 외함
41: 제1 단자
42: 제2 단자
431~435: 제1 단위코일
436~440: 제2 단위코일

Claims (3)

1. 외함;
   상기 외함의 중심축을 기준으로 상기 외함에 권선되는 복수의 제1 단위코일을 포함하는 제1 코일부; 및
   복수의 제2 단위코일을 포함하는 제2 코일부를 포함하되,
   상기 복수의 제1 단위코일 및 상기 복수의 제2 단위코일 각각은 직렬 형태로 연결되고,
   상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 병렬 형태로 연결되며,
   상기 중심축과 수직인 대칭축을 기준으로, 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부는 상호 대칭되는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 필터리액터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 제1 단위코일 중 상기 대칭축에 가장 인접하도록 배치되는 어느 하나의 제1 단위코일과, 상기 복수의 제2 단위코일 중 상기 대칭축에 가장 인접하도록 배치되는 어느 하나의 제2 단위코일을 연결하는 제1 단자를 더 포함하되,
   상기 제1 단자를 이용하여 외부 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 필터리액터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 제1 단위코일 중 상기 외함의 가장 외측에 배치되는 어느 하나의 제1 단위코일과, 상기 복수의 제2 단위코일 중 상기 외함의 가장 외측에 배치되는 어느 하나의 제2 단위코일을 연결하는 제2 단자를 더 포함하되,
   상기 제2 단자는 추진제어장치의 입력단과 연결되는 것을 특징으로 하는 철도차량용 필터리액터.