WO2015183048A1 - 웜 자기부상열차 시스템 - Google Patents

웜 자기부상열차 시스템 Download PDF

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WO2015183048A1
WO2015183048A1 PCT/KR2015/005441 KR2015005441W WO2015183048A1 WO 2015183048 A1 WO2015183048 A1 WO 2015183048A1 KR 2015005441 W KR2015005441 W KR 2015005441W WO 2015183048 A1 WO2015183048 A1 WO 2015183048A1
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worm
rack
worm gear
support
magnet
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PCT/KR2015/005441
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Inventor
김남영
Original Assignee
김남영
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L13/00—Electric propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • B60L13/04—Magnetic suspension or levitation for vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61B—RAILWAY SYSTEMS; EQUIPMENT THEREFOR NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61B13/00—Other railway systems
    • B61B13/08—Sliding or levitation systems

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic levitation train, and more particularly, to a worm maglev train system that does not use a general linear motor.
  • Maglev trains are trains that operate while being injured in the air by magnetic force.
  • the magnetic levitation train uses a magnetic force in which heterogeneous forces pull each other, and the same poles act by repulsive force pushing against each other.
  • Linear motor has the advantage of simple configuration and precise linear position control, but it is practically technically difficult to use for long distance lines that are exposed to the outside environment.
  • Maglev trains are led by Germany and Japan.
  • maglev trains with speeds of 430km / h were commercialized by Germany in 32km between Shanghai and Pudong Airport in 2002. It is a sluggish situation.
  • the present invention provides a worm magnetic levitation train system that can be commercialized in a short period of time by simplifying the principle of magnetic levitation propulsion and increasing safety and economical efficiency compared to the conventional linear motor method.
  • a rack comprising: a rack including a plurality of rack teeth disposed along a track and a rack magnet disposed on each rack tooth; And a worm gear parallel to the direction of rotation of the track and a worm gear including a plurality of worm teeth and worm gear magnets that maintain a magnetic distance from the rack magnet in the plurality of worm teeth disposed between the rack teeth.
  • a worm drive propulsion unit including a support frame on which the worm gear is rotatably mounted, the cabin being connected to the worm drive propulsion unit by the rotation of the worm gear in a state in which the worm gear is maintained by the rack magnet and the worm gear magnet.
  • a worm maglev train with a vehicle travels along the track.
  • the rack magnets are disposed on the front and rear surfaces of the rack teeth, and the worm gear magnets are also disposed on the front and rear surfaces of the worm teeth, and the rack magnets and the worm gear magnets correspond to the same poles so that the rack magnets and the worm gear magnets can maintain mutual magnetic separation.
  • each rack is mounted to the rack teeth, and includes a rack support that is disposed on both ends of the electrode, can be placed in the cabin support under the cabin vehicle, both ends of the rack support and the cabin support to maintain mutually spaced apart from each other
  • the same electrode can be arranged so that the cabin vehicle can remain magnetically spaced on the rack support.
  • the electrodes disposed at both ends of the cabin support may be provided in a shape to surround the electrodes disposed at both ends of the rack support in the upper and lower sides and to prevent derailment of the cabin vehicle moving on the track.
  • a worm drive propulsion unit is further disposed below the worm drive propulsion unit, and the same electrode is disposed at both ends of the rack support and the worm drive propulsion unit support so as to maintain a mutually spaced apart state, and the worm drive propulsion unit is disposed on the rack support. Magnetic separation can be maintained.
  • the worm drive propulsion unit may include a drive motor for rotating the worm gear inside or outside the worm gear.
  • the worm drive propulsion unit includes a cylindrical worm gear body providing a worm gear of the worm gear and a drive unit for rotating the worm gear body in the worm gear body, the drive unit is mounted on the inner surface of the worm gear body corresponding to the stator and stator mounted on the rotating shaft It includes a rotating rotor, the worm gear body can rotate around the axis of rotation by the interaction of the stator and the rotor.
  • the rack teeth and the rack magnets are mutually coupled to provide a trapezoidal shape
  • the worm and the worm gear magnets may be arranged to maintain magnetic separation between the rack teeth in an inverted trapezoidal shape.
  • a trapezoidal shape may provide a structure that can be supported downward for magnetic levitation.
  • the racks and tracks can be kept spaced up and down to prevent snow, rain, and various foreign matters falling on the rack flows into the spaced space to affect the operation of the cabin vehicle.
  • a rack magnet, a worm gear magnet, electrodes disposed at both ends of the rack support, electrodes disposed at both ends of the cabin support, electrodes provided at both ends of the support for the worm drive propulsion unit are selected as electromagnets or permanent magnets. Can be used.
  • the magnetic pole and the propulsion force are generated at the same time by changing the N pole and the S pole at the same time, and precise control for this can reduce the safety of the system.
  • precise control for this can reduce the safety of the system.
  • the worm maglev train system of the present invention which excludes the linear motor and adopts the circular motor worm gear, there is little problem in the long-term operation of the worm gear, and the entire line can be miniaturized compared to the linear motor corresponding to one large motor. Do.
  • the magnet for magnetic levitation and the power for propulsion are separated, respectively, and the magnets for magnetic levitation simply change the poles of the magnets because they only need to maintain the repulsion with the same poles. Does not require a high degree of control. That is, in the worm maglev train system according to the present invention by adopting a worm drive propulsion unit corresponding to the circular motor, the propulsion is simply made by the rotation of the worm gear.
  • the rack is installed to be inclined with respect to the upper surface of the track, the rack is installed spaced apart from the track bottom may not interfere with the operation even if snow, rain or various foreign matters accumulated on the rack slope.
  • the worm maglev train is expected to work well on hundreds to thousands of kilometers of long-distance routes exposed to the natural environment.
  • the worm gear diameter of the worm maglev train is 3m, and the worm gear interval, that is, the pitch of the rack is 2m, the worm motor's RPM is increased to 10,000, the speed of the worm maglev train is 20km / min. do. This corresponds to 1,200 km / h per hour, which is close to the speed of a supersonic jet. Maglev trains running at these speeds can reach from Seoul to Busan in just 20 minutes.
  • the worm maglev train system according to the present invention is expected to solve the problem that the existing maglev train is having difficulty in commercialization, and to advance the era of the magnetic levitation train, a national project of the 21st century.
  • FIG. 1 is an enlarged view of a worm maglev train system and a worm driving propulsion unit according to an embodiment of the present invention disposed on a track.
  • FIG. 2 is a structural diagram illustrating a disassembled worm drive propulsion unit.
  • FIG 3 is a view illustrating a state in which the rack and the worm gear of the worm maglev train system are engaged in a magnetic separation state according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed view illustrating the magnetic separation principle of the rack and the worm gear in the worm drive propulsion unit, in which a rack tooth and a worm are provided as a trapezoidal electromagnet module.
  • Figure 6 is a detailed view for explaining the principle of the magnetic levitation from the rack support coupled to the rack teeth of the cabin vehicle of the worm maglev train.
  • FIG. 7 is a detailed view illustrating a system for partially supplying power to a worm gear electromagnet module of a gearless motor and a worm gear coupled to a worm gear inside a worm drive propulsion system in a worm magnetic levitation train system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an enlarged view of a worm maglev train system and a worm driving propulsion unit according to an embodiment of the present invention disposed on a track.
  • 2 is a structural diagram illustrating a disassembled worm drive propulsion unit.
  • 3 is a view illustrating a state in which the rack and the worm gear of the worm maglev train system are engaged in a magnetic separation state according to an embodiment of the present invention.
  • 4 shows a state in which the worm drive propulsion unit is spaced apart by the worm drive propulsion unit support and the rack support, the room vehicle is spaced apart by the cabin support and the rack support, and the cabin vehicle is connected to the worm drive propulsion unit.
  • FIG. 1 is an enlarged view of a worm maglev train system and a worm driving propulsion unit according to an embodiment of the present invention disposed on a track.
  • 2 is a structural diagram illustrating a disassembled worm drive propulsion unit.
  • 3 is a view illustrating a state in which the
  • FIG. 5 is a detailed view illustrating the magnetic separation principle of the rack and the worm gear in the worm driving propulsion unit.
  • FIG. 5 is a view of a state in which a rack tooth and a worm are provided as a trapezoidal electromagnet module.
  • FIG. 6 is a cabin vehicle of a worm maglev train. This is a detailed view for explaining the principle of magnetic levitation from the rack support coupled to the rack teeth.
  • FIG. 7 is a detailed view illustrating a system for partially supplying power to a worm gear electromagnet module of a gearless motor and a worm gear coupled to a worm gear inside a worm drive propulsion system in a worm magnetic levitation train system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the worm maglev train may move along the track 10.
  • the track 10 may include rails that are generally arranged side by side in two rows and sleepers that support the rails.
  • the worm maglev train system includes a rack 110 and a worm drive propulsion unit 120 installed along a track.
  • a rack 110 disposed along the rail of the track and the rack support 118 installed for each rack 110, in particular, the worm drive propulsion unit 120 and the cabin vehicle that is connected to the driving force ( 130 may be a worm maglev train moving on the track.
  • the rack 110 is mounted on the rail of the track so that a plurality of rack teeth 112 are arranged along the rail, rack magnets 114 mounted on the respective rack teeth 112, and the rack teeth 112 on the track ( A rack spacer 116 for floating placement.
  • the worm drive propulsion unit 120 has a worm gear 121 and a support frame 125, the worm gear 121 is parallel to the direction of the line and the rotation axis, a plurality of worm teeth 122 disposed between the rack teeth (112) And a worm gear magnet 123 that maintains a magnetic separation state from the rack magnet 114 in the worm tooth 122.
  • the support frame 125 may be rotatably mounted with the worm gear 121, and the cabin vehicle 130 may be connected to the support frame 125 to move along the track by the rotation of the worm gear 121.
  • the rack teeth are arranged to be separated by a predetermined distance along the rail of the track, the rack teeth are arranged so that the worm drive propulsion unit is engaged with the rack teeth when the worm gear rotates, the shape is provided in the same manner as the worm gear It is also possible.
  • the rack magnet 114 has heterogeneous N-poles and S-poles disposed in front and rear surfaces of the rack teeth 112, and the worm gear magnet 123 is magnetically spaced from the rack magnet 114. It has a heterogeneous N-pole and S-pole, respectively, arranged in front and rear surfaces of the worm tooth 122 so as to maintain the.
  • the magnets may be disposed such that the magnetic pole of the rack tooth 112 and the magnetic pole of the worm tooth 122 correspond to each other with the same pole, and thus the rack magnet 114 and the worm gear magnet 123 may maintain magnetic separation from each other.
  • the cabin vehicle 130 may move back and forth as the worm gear 121 rotates while the rack magnet 114 and the worm gear magnet 123 maintain their original magnetic poles.
  • the worm drive propulsion unit 120 may maintain a mutually spaced state by the repulsive force of the worm drive prop support unit 128 and the rack support 118 connected to the lower portion of the support frame 125.
  • the rack support 118 is disposed at each rack tooth 112, and heterogeneous electrodes (N pole and S pole) are disposed at both ends of the rod-shaped rack support.
  • a worm drive prop support unit 128 is mounted below the support frame 125 of the worm drive propulsion unit 120, and electrodes are disposed at both ends of the rack support 118 and the worm drive prop support unit 128. However, the same electrode is disposed at the ends of the rack support 118 and the worm drive prop support 128 which face each other up and down, so that the worm drive prop 120 may maintain a magnetic separation state on the rack support 118. have.
  • the electrodes disposed on both ends of the worm driving prop support unit 128 may be provided in a shape to surround the electrodes of the rack support 118 in the upper and lower sides and to prevent the derailment of the worm driving propulsion unit 120 that moves the track. have.
  • the rack support 118 and the worm drive prop support 128 are provided as electromagnet modules so that both ends thereof have different electrodes, and the rack support 118 and the worm drive prop support 128 are provided.
  • Itself can be provided as a rod-shaped electromagnet, and the rack support 118 and the worm drive prop support 128 provide only a basic skeleton, with a separate N pole at one end and S pole at the other. It may also include a bar magnet.
  • the linear motor of the linear shape of the motor linearly changes the direction of the current flowing through the coil.
  • the repulsive force changes periodically. Therefore, if the frequency of the alternating current flowing through the coil is adjusted according to the speed of the train, only the force in the direction of travel can be continuously applied to the train.
  • the linear motor is not used in the worm maglev train according to the present embodiment. Therefore, a complicated control process for changing the direction of the current flowing through each coil of the linear motor electromagnet module formed along the line can be eliminated.
  • the worm maglev train system by using the rack magnet 114 and the worm gear magnet 123 to injure the train, by rotating the worm gear 121 to provide a driving force, the train in response to gravity
  • the force to propel and the propulsion in the direction of the line movement are acting separately. That is, magnets for magnetic levitation and magnetic separation and power for propulsion are separated from each other. Therefore, the magnets for magnetic levitation and magnetic separation only need to keep pushing the same poles together, and there is no need for the highly precise work of alternating the N and S poles of the magnets instantaneously for propulsion as in a linear motor.
  • the propulsion is simply performed by the circular motor of the worm drive propulsion unit 120 for rotating the worm gear 121.
  • the driving principle of the worm maglev train can overcome the instability of the linear motor fundamentally in terms of system safety.
  • the worm drive propulsion unit may include a separate drive motor for rotating the worm gear inside or outside the worm gear, the worm drive propulsion unit 120 in this embodiment, as can be seen in Figure 7, the worm gear ( Cylindrical worm gear body 124 for providing the worm tooth 122 of 121 and a drive unit for rotating the worm gear body 124 in the worm gear body 124, the drive unit is a stator 126 mounted to the rotating shaft And a rotor 127 mounted on an inner surface of the worm gear body 124 corresponding to the stator 126, and the worm gear body 124 is formed around the rotation axis by the interaction of the stator 126 and the rotor 127.
  • Rotate Power may be drawn through the external line 129.
  • the worm gear body 124 is provided in a hollow so that the drive motor formed inside the worm gear body 124 includes two pairs of stators 126 and a rotor 127. Both ends of the worm gear body 124 may be rotatably mounted using a bearing on a rotation shaft.
  • the stator 126 and the rotor 127 may be provided through a combination of a magnet and a coil, a combination of a coil and a coil, and the like.
  • the coil rotor may also be provided in the form of an iron core rather than a coil. Two or more pairs of stators and rotors can be used to appropriately adjust the rotational torque and rotational speed, and induction power generation can be expected due to the rotation of the worm gear body.
  • a rack support 118 is disposed at each rack tooth 112, and heterogeneous electrodes are disposed at both ends.
  • the cabin support 138 is mounted below the cabin vehicle 130, and electrodes are disposed at both ends of the rack support 118 and the cabin support 138, and the rack support 118 and the cabin support 138 are mutually interposed. Electrodes of the same type are disposed at the ends of the rack support 118 and the room support 138 facing up and down so as to maintain the magnetic separation state. Accordingly, the cabin vehicle 130 may maintain a magnetic separation state on the rack support 118.
  • the electrodes disposed at both ends of the cabin support 138 may be provided in a shape surrounding the ends of the rack support 118 in the upper and lower sides, and may prevent derailment of the cabin vehicle 130 moving along the track.
  • the rack support 118 and the room support 138 are provided as electromagnet modules so that both ends have different electrodes, and the rack support 118 and the room support 138 themselves are rod-shaped. It may be provided as an electromagnet, and the rack support 118 and the cabin support 138 may include separate bar magnets that provide only a basic skeleton and provide heterogeneous electrodes at both ends.
  • the rack teeth 112 coupled to the rack magnets and the worm 122 coupled to the worm gear magnets 123 are formed in a trapezoidal shape.
  • the rack 110 exposed to the natural environment over a long distance is inclined with respect to the road surface of the track 10, and the rack teeth 112 are disposed with a space on the track by the rack spacer 116. Therefore, a drainage path is provided so that snow, rain, and various foreign matters that have flowed down the rack incline can be prevented from interfering with vehicle operation.
  • Worm maglev train is basically provided with a power feeding device for supplying electric power to the cabin vehicle in an inductive power method, and may further be provided with an auxiliary wheel or an auxiliary roller for supporting the vehicle.
  • the interior cabin floor of the cabin vehicle is equipped with a plurality of seating chairs and car-mounted devices for assisting the operation of the vehicle.
  • a sensing sensor may be further provided to detect a gap between the electromagnets and provide the controller with a degree of separation between the rack and the worm or a degree of magnetic injury of the vehicle. That is, the controller adjusts the electric current for the electromagnet so as to keep the preset intervals of the sensing sensors always the same.
  • the worm maglev train system according to the present invention can be widely applied to long distance sections for shortening of travel time.

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Abstract

선로를 따라서 배치되는 복수개의 래크 톱니 및 각각의 래크 톱니에 배치되는 래크 자석을 포함하는 래크; 및 선로 방향과 회전축이 나란하며, 래크 톱니 간에 배치되는 복수개의 웜치 및 웜치에 래크 자석과 자기 이격 상태를 유지하는 웜기어 자석을 포함하는 웜기어; 및 웜기어가 회동 가능하게 장착되는 지지프레임을 포함하는 웜 구동추진부를 포함하여, 래크 자석 및 웜기어 자석에 의해서 웜기어가 자기 이격 상태를 유지한 상태에서 웜기어의 회동에 의해서 웜 구동추진부에 연결되는 객실차량을 갖는 웜 자기부상열차가 선로를 따라서 운행한다.

Description

웜 자기부상열차 시스템
본 발명은 자기부상열차에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 일반적인 리니어 모터를 사용하지 않는 웜 자기부상열차 시스템에 관한 것이다.
자기부상열차는 자기력에 의해 공중에 부상된 상태로 운행되는 열차이다. 자기부상열차는 이종(異種)끼리는 서로 잡아당기는 인력이 작용하고, 같은 극끼리는 서로 반발하여 밀어내는 척력이 작용하는 자력을 이용한다.
예를 들어 열차 하부에 N극이 배치되고, 열차 하부의 선로가 N극이며, 그 앞부분의 선로가 S극이면 열차의 N극과 선로의 S극 사이의 인력에 의해서 열차가 추진된다. 이때 선로의 N극 및 S극을 빠르게 교환시키면 열차가 지속적으로 추진된다. 이러한 원리는 전기모터의 원리와 같기 때문에 이런 장치를 선형 모터 또는 리니어 모터라고 부른다. 리니어 모터는 회전운동을 하는 일반 전동기와는 달리 직선운동을 한다.
리니어 모터는 구성이 간단하고, 정밀한 직선 위치제어가 가능하다는 장점이 있으나, 실지로 외부 환경에 그대로 노출되는 장거리 선로에 사용하기 에는 사실상 기술적 어려움이 있어, 현실에서는 주로 단거리용으로 설치 운영되고 있는 실정이다. 자기부상열차는 독일과 일본이 주도하고 있으며, 최초로 2002년 중국 상하이와 푸둥 공항을 연결하는 32km 구간에 430km/h의 속도를 갖는 자기부상열차가 독일에 의해 상용화 되었는데, 그 후 아직까지 본격적인 상용화는 지지부진한 실정이다.
또한, 초전도를 이용한 자기부상열차도 시도되고 있는데, 부상 높이가 10㎝ 가량으로 안정성과 신뢰성이 높은 반면에 저속에서는 부상될 수 없어 별도의 지지 기구를 필요로 하고, 고온 초전도체의 실용화에 어려움이 있어 상용화에 시간이 걸릴 것으로 예상된다.
또한, 새로운 개념의 튜브식 자기부상열차가 대한민국 특허등록 제10-1015170호에 개시되어 있으나, 개발비가 많이 들고, 2050년쯤에나 상용화 가능한 기술로 평가되고 있다.
본 발명은 종래의 리니어 모터 방식보다 자기부상 추진의 원리를 단순화하고, 안전성, 및 경제성을 높여 현실적으로 단기간에 상용화할 수 있는 웜 자기부상열차 시스템을 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 선로를 따라서 배치되는 복수개의 래크 톱니 및 각각의 래크 톱니에 배치되는 래크 자석을 포함하는 래크(rack); 및 선로 방향과 회전축이 나란하며, 래크 톱니 간에 배치되는 복수개의 웜치 및 웜치에 래크 자석과 자기 이격 상태를 유지하는 웜기어 자석을 포함하는 웜기어(worm gear); 및 웜기어가 회동 가능하게 장착되는 지지프레임을 포함하는 웜 구동추진부를 포함하여, 래크 자석 및 웜기어 자석에 의해서 웜기어가 자기 이격 상태를 유지한 상태에서 웜기어의 회동에 의해서 웜 구동추진부에 연결되는 객실차량을 갖는 웜 자기부상열차가 선로를 따라서 운행한다.
래크 자석은 래크 톱니의 전후면에 배치되고, 웜기어 자석 역시 웜치의 전후면에 배치되되, 래크 자석과 웜기어 자석은 서로 같은 극으로 대응하여 래크 자석 및 웜기어 자석은 상호 자기 이격 상태를 유지할 수 있다.
또한, 각각의 래크 톱니에 장착되며, 양단으로 전극이 배치되는 래크 지지대를 포함하고, 객실차량 하부에 객실 지지대를 배치할 수 있으며, 래크 지지대 및 객실 지지대의 양단에는 상호 자기 이격 상태를 유지하도록 서로 같은 전극이 배치되어, 객실차량이 래크 지지대 상에서 자기 이격 상태를 유지할 수 있다.
또한, 객실 지지대 양단에 배치되는 전극은 래크 지지대의 양단에 배치되는 전극을 상하 및 측면에서 감싸는 형상으로 제공되어 선로를 이동하는 객실차량의 탈선을 방지할 수 있다.
참고로, 웜 구동추진부 하부에 웜 구동추진부 지지대를 더 배치하고, 래크 지지대 및 웜 구동추진부 지지대의 양단에는 상호 자기 이격 상태를 유지하도록 같은 전극이 배치되어, 웜 구동추진부가 래크 지지대 상에서 자기 이격 상태를 유지할 수 있다.
또한, 웜 구동추진부는 웜기어의 내부 또는 외부에서 웜기어를 회전시키는 구동 모터를 포함할 수 있다.
또한, 웜 구동추진부는 웜기어의 웜치를 제공하는 원통형 웜기어체 및 웜기어체의 내부에서 웜기어체를 회전시키기 위한 구동부를 포함하며, 구동부는 회전축에 장착된 고정자 및 고정자에 대응하여 웜기어체의 내면에 장착된 회전자를 포함하고, 웜기어체는 고정자 및 회전자의 상호 작용에 의하여 회전축 주변을 회전할 수 있다.
또한, 래크 톱니 및 래크 자석은 상호 결합되어 사다리꼴 형상으로 제공되며, 웜치 및 웜기어 자석이 상호 결합되어 역 사다리꼴 형상으로 래크 톱니 사이에서 자기 이격 상태를 유지하도록 배치될 수 있다. 참고로, 자기 부상을 위해서 사다리꼴 형상이 하방에서 지지할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.
또한, 래크 및 선로는 상하로 이격된 상태를 유지하여 래크 상에서 낙하한 눈, 비, 각종 이물질이 상기 이격된 공간으로 흘러내려 객실차량의 운행에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
참고로, 본 발명에서 래크 자석, 웜기어 자석, 래크 지지대의 양단으로 배치되는 전극, 객실 지지대의 양단에 배치되는 전극, 웜 구동추진부 지지대의 양단에 제공되는 전극 등은 전자석 혹은 영구자석으로 선택하여 사용할 수 있다.
기존 리니어 모터 방식을 채택한 자기부상열차에서는 N극과 S극을 순간적으로 바꿔가며 자기부상과 추진력을 동시에 발생시키는데, 이를 위한 정밀제어는 시스템의 안전성을 저하시킬 수 있다. 구체적으로 비록 짧은 실험 구간에서는 1초에도 수백 번의 자석의 극을 바꿔가며 정밀하게 제어할 수 있지만, 자연환경에 그대로 노출된 장거리 구간의 선로에서는 수많은 자석들 중 어느 하나가 오작동하더라도 전체 시스템에 문제가 발생할 수 있다. 반면 리니어 모터를 배제하고 원형 모터 방식의 웜기어를 채택한 본 발명의 웜 자기부상열차 시스템에서는 웜기어의 장기간 작동에도 문제 발생이 적고, 선로 전체가 하나의 거대한 모터에 해당하는 리니어 모터와 비교할 때 소형화가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 웜 자기부상열차 시스템에서는 자기부상을 위한 자석과 추진을 위한 동력이 각각 분리되어 있으며, 자기부상을 위한 자석은 단순히 서로 같은 극으로 척력을 유지하면 되기 때문에 자석의 극을 변경하는 고도의 제어를 요하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 웜 자기부상열차 시스템에서는 원형 모터에 대응하는 웜 구동추진부를 채택함으로써, 웜기어의 회전으로 단순하게 추진이 이루어진다.
또한, 선로 상면에 대해서 경사져 설치되며, 선로 바닥과 소정간격 이격 설치되는 래크는 래크 경사면으로 흘러내린 눈, 비나 각종 이물질이 쌓여도 운행에 지장을 주지 않을 수 있다. 이러한 웜 자기부상열차는 자연환경에 노출된 수백~수천 킬로미터의 장거리 노선에서도 무리가 없을 것으로 예상된다.
그리고, 웜 자기부상열차의 웜기어 지름을 3m로 제작하고 웜치 간격 즉 래크의 피치를 2m 간격으로 했을 경우, 웜모터의 RPM을 10,000으로 끌어올린다면 웜 자기부상열차의 속도는 분속으로 20km/min이 된다. 이는 시속으로 1,200km/h에 해당하여 초음속 제트기의 속도에 육박한다. 이러한 속도로 운행하는 자기부상열차는 서울에서 부산까지 20여분 만에 도달할 수 있다.
본 발명에 따른 웜 자기부상열차 시스템은 기존 자기부상열차가 상용화에 어려움을 겪고 있는 부분을 해결하고, 21세기 국책과제인 자기부상열차 시대를 앞당겨 줄 것으로 기대된다.
도 1은 선로 상에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 웜 자기부상열차 시스템 및 웜 구동추진부를 확대한 도면이다.
도 2는 웜 구동추진부를 분해한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 웜 자기부상열차 시스템의 래크 및 웜기어가 자기 이격 상태에서 맞물려 있는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 웜 구동추진부가 웜 구동추진부 지지대 및 래크 지지대에 의해서 자기 이격되는 상태, 객실차량이 객실 지지대 및 래크 지지대에 의해서 이격되는 상태, 및 웜 구동추진부에 객실차량이 연결되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 웜 구동추진부에서 래크 및 웜기어의 자기 이격 원리를 설명하기 위한 상세도로서 래크 톱니와 웜치가 사다리꼴 모양의 전자석 모듈로 제공되는 상태의 도면이다.
도 6은 웜 자기부상열차의 객실차량이 래크 톱니에 결합된 래크 지지대로부터 자기 부상되는 원리를 설명하기 위한 상세도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜 자기부상열차 시스템에서 웜 구동추진부의 웜기어 내부에 결합된 기어리스 모터와 웜기어의 웜치 전자석모듈에 부분적으로 전원을 공급하는 시스템을 나타낸 상세도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 선로 상에 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 웜 자기부상열차 시스템 및 웜 구동추진부를 확대한 도면이다. 도 2는 웜 구동추진부를 분해한 구조도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 웜 자기부상열차 시스템의 래크 및 웜기어가 자기 이격 상태에서 맞물려 있는 상태를 도시한 도면이다. 도 4는 웜 구동추진부가 웜 구동추진부 지지대 및 래크 지지대에 의해서 자기 이격되는 상태, 객실차량이 객실 지지대 및 래크 지지대에 의해서 이격되는 상태, 및 웜 구동추진부에 객실차량이 연결되는 모습을 나타낸 도면이다. 도 5는 웜 구동추진부에서 래크 및 웜기어의 자기 이격 원리를 설명하기 위한 상세도로서 래크톱니와 웜치가 사다리꼴 모양의 전자석모듈로 제공되는 상태의 도면이며, 도 6은 웜 자기부상열차의 객실차량이 래크 톱니에 결합된 래크 지지대로부터 자기 부상되는 원리를 설명하기 위한 상세도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜 자기부상열차 시스템에서 웜 구동추진부의 웜기어 내부에 결합된 기어리스 모터와 웜기어의 웜치 전자석모듈에 부분적으로 전원을 공급하는 시스템을 나타낸 상세도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 웜 자기부상열차는 선로(10)를 따라서 이동할 수 있다. 선로(10)는 일반적으로 2 열로 나란하게 배치되는 레일과 레일을 지지하는 침목을 포함할 수 있다.
웜 자기부상열차 시스템은 선로를 따라서 설치되는 래크(110) 및 웜 구동추진부(120)를 포함한다. 참고로, 선로의 레일을 따라서 배치되는 래크(110) 및 래크(110)마다 설치되는 래크 지지대(118)를 제외한 구성, 구체적으로 웜 구동추진부(120) 및 이에 연결되어 추진력을 얻는 객실차량(130)이 선로 상을 이동하는 웜 자기부상열차가 될 수 있다.
래크(110)는 선로의 레일 상에 얹어져 복수개가 레일을 따라서 배치되는 래크 톱니(112), 각각의 래크 톱니(112)에 장착되는 래크 자석(114), 및 래크 톱니(112)를 선로(10)에서 띄워 배치하기 위한 래크 이격체(116)를 포함한다.
또한, 웜 구동추진부(120)는 웜기어(121) 및 지지프레임(125)을 가지며, 웜기어(121)는 선로 방향과 회전축이 나란하며, 래크 톱니(112) 사이에 배치되는 복수개의 웜치(122) 및 웜치(122)에 래크 자석(114)과 자기 이격 상태를 유지하는 웜기어 자석(123)을 포함한다. 그리고, 지지프레임(125)은 웜기어(121)가 회동 가능하게 장착되며, 객실차량(130)은 지지프레임(125)에 연결되어 웜기어(121)의 회동에 의해서 선로를 따라서 운행될 수 있다.
참고로, 본 실시예에서 래크 톱니는 선로의 레일을 따라서 일정 간격 분리 배치되나, 래크 톱니는 웜기어의 회전 시 웜 구동추진부가 래크 톱니에 맞물려 이동하도록 배치되는 것으로, 그 형상은 웜기어와 동일하게 제공되는 것도 가능하다.
이하 웜 구동추진부가 선로상에서 자기 부상되는 상태에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 5에서 확인할 수 있듯이, 래크 자석(114)은 래크 톱니(112)의 전후면으로 각각 배치되는 이종의 N극 및 S극을 가지며, 웜기어 자석(123)은 래크 자석(114)과 자기 이격 상태를 유지하도록 웜치(122)의 전후면으로 각각 배치되는 이종의 N극 및 S극을 갖는다. 구체적으로 래크 톱니(112)의 자극과 웜치(122)의 자극이 서로 같은 극으로 대응하도록 자석들이 배치될 수 있고, 이에 래크 자석(114) 및 웜기어 자석(123)은 상호 자기 이격 상태를 유지할 수 있으며, 래크 자석(114) 및 웜기어 자석(123)이 본래의 자극을 그대로 유지한 상태에서 웜기어(121)가 회동함에 따라서 객실차량(130)이 전후 이동할 수 있다.
또한, 웜 구동추진부(120)는 지지프레임(125)의 하부에 연결되는 웜 구동추진부 지지대(128) 및 래크 지지대(118)의 척력에 의해서 상호 이격상태를 유지할 수 있다. 이하 도 4를 참고하여 이를 구체적으로 설명한다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, 각각의 래크 톱니(112)에는 래크 지지대(118)가 배치되며, 막대 형상의 래크 지지대의 양단으로는 이종의 전극(N극과 S극)이 배치된다.
그리고, 웜 구동추진부(120)의 지지프레임(125) 하부에는 웜 구동추진부 지지대(128)가 장착되어 있으며, 래크 지지대(118) 및 웜 구동추진부 지지대(128)의 양단에는 전극이 배치되되, 서로 상하로 마주 놓이는 래크 지지대(118) 및 웜 구동추진부 지지대(128)의 단부에는 같은 전극이 배치되어, 웜 구동추진부(120)가 래크 지지대(118) 상에서 자기 이격 상태를 유지할 수 있다.
또한, 웜 구동추진부 지지대(128) 양단에 배치되는 전극은 래크 지지대(118)의 전극을 상하 및 측면에서 감싸는 형상으로 제공되어 선로를 이동하는 웜 구동추진부(120)의 탈선을 방지할 수 있다.
참고로, 본 실시예에 래크 지지대(118) 및 웜 구동추진부 지지대(128)는 전자석 모듈로 제공되어 양단이 서로 다른 전극을 갖게 제공되며, 래크 지지대(118) 및 웜 구동추진부 지지대(128) 자체가 막대 형상의 전자석으로 제공될 수 있고, 래크 지지대(118) 및 웜 구동추진부 지지대(128)는 기본 골격만 제공하고, 한쪽 단부에는 N극 및 다른 한쪽에는 S극을 제공하는 별개의 막대 자석을 포함할 수도 있다.
자기부상열차를 진행시키기 위해서 리니어 모터(또는 선형 모터)를 사용하는 경우, 모터의 원형 코일을 선형으로 편 형태의 선형모터는 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주면 열차와 선로 사이에 자력이 인력과 척력으로 주기적으로 바뀌게 된다. 따라서 기차의 진행속도에 따라 코일에 흐르는 교류의 진동수를 조절하면 열차에는 계속해서 진행방향으로의 힘만을 가할 수 있다.
그런데 본 실시예에 따른 웜 자기부상열차에서는 리니어 모터를 사용하지 않는다. 따라서 선로와 함께 길게 형성된 리니어 모터 전자석모듈 각각의 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주는 복잡한 제어 과정을 배제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 웜 자기부상열차 시스템에서는 래크 자석(114)과 웜기어 자석(123)을 이용하여 열차를 부상시키고, 웜기어(121)를 회동시켜 추진력을 제공함으로써, 열차를 중력에 대응하여 부상시키는 힘과 선로 이동 방향으로 추진하는 힘이 각각 분리되어 작용하고 있다. 즉, 자기부상 및 자기 이격을 위한 자석과 추진을 위한 동력이 각각 분리되어 있는 것이다. 따라서, 자기부상 및 자기이격을 위한 자석은 단순히 서로 같은 극으로 밀치고 있는 상태만 유지하면 되며, 리니어 모터에서처럼 추진을 위해 자석의 N극과 S극을 순간적으로 번갈아 바꾸는 고도의 정밀작업이 필요 없다.
그리고, 웜기어(121)를 회동시키는 웜 구동추진부(120)의 원형 모터에 의해 단순하게 추진이 이루어진다. 이처럼 웜 자기부상열차의 구동원리는 시스템의 안전성 면에 있어 리니어 모터의 불안전성을 근본적으로 극복할 수 있다.
한편, 웜 구동추진부는 웜기어의 내부 또는 외부에서 웜기어를 회전시키기 위한 별도의 구동 모터를 포함할 수도 있지만, 본 실시예에서 웜 구동추진부(120)는, 도 7에서 확인 가능하듯이, 웜기어(121)의 웜치(122)를 제공하는 원통형 웜기어체(124) 및 웜기어체(124)의 내부에서 웜기어체(124)를 회전시키기 위한 구동부를 포함하며, 상기 구동부는 회전축에 장착된 고정자(126) 및 고정자(126)에 대응하여 웜기어체(124)의 내면에 장착된 회전자(127)를 포함하고, 웜기어체(124)는 고정자(126) 및 회전자(127)의 상호 작용에 의하여 회전축 주변을 회전한다. 전원은 외부선(129)을 통해서 끌어올 수 있다.
웜기어체(124)의 내부에 형성된 구동 모터는 2쌍의 고정자(126) 및 회전자(127)를 포함하도록 웜기어체(124)는 중공형으로 제공된다. 웜기어체(124)의 양단은 회전축에서 베어링을 이용하여 회전 가능하게 장착될 수 있다. 고정자(126)와 회전자(127)는 자석과 코일의 조합, 코일과 코일의 조합 등을 통해서 제공될 수 있다. 물론, 코일 회전자는 코일이 아닌 철심 형태로도 제공될 수가 있다. 2쌍 이상의 고정자 및 회전자를 이용하여 회전 토크 및 회전 속도를 적절하게 조절할 수 있으며, 웜기어체의 회전에 따른 유도 전력 발생도 기대할 수 있다.
이하 객실차량이 선로상에서 자기 부상되는 상태에 대해서 구체적으로 설명한다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, 각각의 래크 톱니(112)에는 래크 지지대(118)가 배치되며, 양단으로는 이종의 전극이 배치된다.
그리고, 객실차량(130) 하부에는 객실 지지대(138)가 장착되며, 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138)의 양단에는 전극이 배치되되, 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138)가 상호 자기 이격 상태를 유지하도록 상하로 마주 놓이는 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138)의 단부에는 같은 종류의 전극이 배치된다. 이에 객실차량(130)이 래크 지지대(118) 상에서 자기 이격 상태를 유지할 수 있다.
또한, 객실 지지대(138) 양단에 배치되는 전극은 래크 지지대(118)의 단부를 상하 및 측면에서 감싸는 형상으로 제공되어 선로를 이동하는 객실차량(130)의 탈선을 방지할 수 있다.
참고로, 본 실시예에 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138)는 전자석 모듈로 제공되어 양단이 서로 다른 전극을 갖게 제공되며, 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138) 자체가 막대 형상의 전자석으로 제공될 수 있고, 래크 지지대(118) 및 객실 지지대(138)는 기본 골격만 제공하고, 양단으로 이종의 전극을 제공하는 별개의 막대 자석을 포함할 수도 있다.
도 5를 참고하면, 래크 자석이 결합된 래크 톱니(112) 및 웜기어 자석(123)이 결합된 웜치(122)는 사다리꼴 모양으로 형성되어 있다.
따라서, 래크 톱니(112)와 웜치(122)가 자기 이격 상태로 만날 때, 사다리꼴에 역 사다리꼴이 서로 포개진 상태로 맞춰지며 중력에 대해 무거운 웜기어를 자기부상 시킬 수 있다.
그리고, 장거리 구간에 걸쳐 자연환경에 노출되는 래크(110)는 선로(10)의 노면에 대해서 경사져 형성되어 있고, 래크 이격체(116)에 의해서 래크 톱니(112)가 선로 상에서 공간을 두고 배치되기 때문에, 래크 경사면으로 흘러내린 눈, 비나 각종 이물질이 쌓이지 않도록 배수로가 구비되어 차량 운행에 지장을 주지 않도록 할 수 있다.
웜 자기부상열차는 기본적으로 객실차량에 유도전력 방식으로 전력을 공급시키는 급전장치가 구비되며 차량 지지를 위한 보조 바퀴나 보조 롤러 등이 더 구비될 수 있다. 또한 객실차량의 내부 객실 바닥에는 다수의 착석용 의자와 차량의 운행 및 보조적인 용도의 차상장치들이 구비됨은 물론이다.
그리고, 전자석 간에 간격을 감지하여, 래크와 웜치 간의 이격 정도나, 상기 차량의 자기부상 정도를 제어부에 데이터화하여 제공하도록 감지센서가 더 구비될 수 있다. 즉, 제어부는 감지센서들의 기 설정된 간격을 상시 동일하게 유지시키도록 전자석에 대한 전류를 조절한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 웜 자기부상열차 시스템은 이동 시간의 단축을 위한 장거리 구간에 널리 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 선로를 따라서 배치되는 복수개의 래크 톱니 및 각각의 상기 래크 톱니에 배치되는 래크 자석을 포함하는 래크(rack); 및
    상기 선로 방향과 회전축이 나란하며, 상기 래크 톱니 간에 배치되는 복수개의 웜치 및 상기 웜치에 상기 래크 자석과 자기 이격 상태를 유지하는 웜기어 자석을 포함하는 웜기어(worm gear); 및 상기 웜기어가 회동 가능하게 장착되는 지지프레임;을 포함하는 웜 구동추진부;
    를 포함하여, 상기 래크 자석 및 상기 웜기어 자석에 의해서 상기 웜기어가 자기 이격 상태를 유지한 상태에서 상기 웜기어의 회동에 의해서 상기 웜 구동추진부에 연결되는 객실차량을 갖는 웜 자기부상열차가 상기 선로를 따라서 운행하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 래크 자석 및 상기 웜기어 자석은 각각 상기 래크 톱니 및 상기 웜치의 전후면에 배치되며, 상기 래크 자석 및 상기 웜기어 자석은 상호 자기 이격 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 래크 톱니에 장착되는 래크 지지대를 포함하고,
    상기 객실차량 하부에 배치되는 객실 지지대를 포함하며,
    상기 래크 지지대 및 상기 객실 지지대가 상호 자기 이격 상태를 유지하도록 상기 래크 지지대 및 상기 객실 지지대의 양단에는 서로 같은 전극이 배치되어,
    상기 객실차량이 상기 래크 지지대 상에서 자기 이격 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 객실 지지대 양단에 배치되는 전극은 상기 래크 지지대의 양단에 배치되는 전극을 상하 및 측면에서 감싸는 형상으로 제공되어 상기 선로를 이동하는 상기 객실차량의 탈선을 방지하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 래크 톱니에 장착되는 래크 지지대를 포함하고,
    상기 웜 구동추진부 하부에는 웜 구동추진부 지지대를 포함하며,
    상기 래크 지지대 및 상기 웜 구동추진부 지지대가 상호 자기 이격 상태를 유지하도록 상기 래크 지지대 및 상기 웜 구동추진부의 양단에는 서로 같은 전극이 배치되어,
    상기 웜 구동추진부가 상기 래크 지지대 상에서 자기 이격 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웜 구동추진부는 상기 웜기어의 내부 또는 외부에서 상기 웜기어를 회전시키는 구동 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웜 구동추진부는 상기 웜기어의 웜치를 제공하는 원통형 웜기어체 및 상기 웜기어체의 내부에서 상기 웜기어체를 회전시키기 위한 구동부를 포함하며,
    상기 구동부는 상기 회전축에 장착된 고정자 및 상기 고정자에 대응하여 상기 웜기어체의 내면에 장착된 회전자를 포함하고, 상기 웜기어체는 상기 고정자 및 상기 회전자의 상호 작용에 의하여 상기 회전축 주변을 회전하는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 래크 톱니 및 상기 래크 자석은 상호 결합되어 사다리꼴 형상으로 제공되며,
    상기 웜치 및 상기 웜기어 자석이 상호 결합되어 역 사다리꼴 형상으로 상기 래크 톱니 사이에서 자기 이격 상태를 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 웜 자기부상열차 시스템.
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