KR101723441B1 - 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차에 관한 것으로; 지상의 전력변환장치에서 공급되는 전원에 의해 자계를 발생하는 추진권선이 마련되는 궤도를 주행시 추진권선에 의해 발생하는 자계에 의한 기전력을 발생하는 집전계자권선이 구비되는 집전계자장치와; 상기 집전계자장치에서 발생하는 기전력을 공급전원으로 입력받으면 자계를 형성하여 상기 추진권선과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석;이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 대차에 집전계자장치를 구비하여 철도차량의 추진력을 발생하는 추진전자석의 구동 및 철도차량 내부의 구내설비 구동을 위한 전원을 별도의 설비 없이도 효과적으로 공급할 수 있다.

Description

리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차 { A train bogie with power collecting wire apparatus for the LPM }

본 발명은 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 대차에 철도차량의 추진을 위한 추진전자석과 집전계자장치를 동일한 높이로 설치하여 차량의 추진을 위한 추진전자석의 구동전원은 물론 차량의 구내 설비에 사용되는 구내전원을 공급하는 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량의 가감속 성능은 차량의 무게와 추진장치의 성능을 고려하여 설정되며, 정차역이 많은 우리나라의 경우에 가감속 성능 향상은 운행시격 및 전체 소요시간 단축에 핵심이 된다.

일반 철도차량은 휠온레일(Wheel On Rail) 방식으로 점착 구동방식을 사용하므로 점착한계(약 430km/h) 이상으로는 속도의 한계가 있다.

전기 철도차량은 직류 또는 교류 전력을 공급받아서 주전원장치를 통해 견인전동기를 구동하게 되며, 보조전원장치(SIV)를 통하여 공조시스템, 전등, 통신 등의 차내에 필요한 전기를 공급하게 된다.

견인전동기에서 발생된 토크는 감속기어를 통하여 고토크 저속의 기계적 에너지로 변환되며, 이는 열차의 바퀴와 레일 사이의 마찰력에 의해 추진력을 발생시키게 된다.

특히, 가속 또는 감속 구간에서는 큰 토크와 제동력을 필요로 하지만 실주행 구간에서는 그 보다는 낮은 토크만을 필요로 하므로, 일반적으로 견인전동기는 실주행에 요구되는 연속정격으로 설계와 제작이 이루어지고 있다.

기동시는 견인전동기의 연속정격보다 많은 전류를 투입하여 견인력을 발생시키게 되지만 순시정격은 약 1.5 ~ 2배로 한계가 있다.

따라서, 종래의 전기 철도차량은 추진장치의 용량 한계, 차량의 중량, 전력공급의 한계, 점착 한계 등에 의한 가감속 성능 또는 초고속 주행 개선에 많은 어려움이 존재한다.

예를 들어, 가감속 성능 향상을 위하여 큰 용량의 견인전동기를 사용할 수가 있으나, 가감속 구간 이외의 일반주행 구간에서는 차량의 중량 증가로 인하여 오히려 주행 효율을 떨어뜨리게 된다.

이를 회피하기 위하여 출력밀도를 높인 견인전동기를 사용하는 경우에는 차량의 중량 증가 문제점은 해결될 수 있으나, 차량 내 전력공급의 한계와 전차선의 용량 증대로 인하여 현실적으로 적용하기는 어려움이 있다.

또한, 초고속 주행 성능 향상을 위하여 큰 용량의 견인전동기를 적용하더라도 휠온레일 방식에서의 점착 한계로 인하여 바퀴가 미끄러지므로 초고속 주행이 불가한 문제점 등이 있다.

이에 본 출원인은 등록특허 제10-1313624호 및 등록특허 제10-1372426호를 통해 리니어 펄스 모터 추진시스템을 제안한 바 있다. 이와 같은 2상 2열 리니어 펄스 추진 시스템은 가속 성능, 토오크 특성을 개선하여 비점착 구동 특성을 통해 고속 주행, 정지, 전/후진 방향전환 기능을 구현할 수 있는 것으로, 기존에 독일 Transrapid, 일본 MLX와 같은 자기부상시스템의 3상 추진권선 방식에 적용된 집전계자권선은 도 1에 도시된 바와 같이 불규칙적인 싸인파의 기전력이 발생((+), (-)를 교대로 교번)하므로 차량내의 전원으로 사용하기 위해서는 복잡한 전력변환 회로가 반드시 필요하다.

참고문헌: 등록특허 제10-1313624호 참고문헌: 등록특허 제10-1372426호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 대차에 설치되어 철도차량의 추진을 위한 추진전자석의 구동전원을 공급하기 위한 집전계자장치를 구비한 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차를 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 집전계자장치를 2상2열의 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 대차에 추진전자석과 동일한 높이로 설치하여 추진전자석의 구동전원은 물론 철도차량의 구내 설비에 사용되는 구내전원으로 공급할 수 있도록 하는 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

지상의 전력변환장치에서 공급되는 전원에 의해 자계를 발생하는 추진권선이 마련되는 궤도를 주행시 추진권선에 의해 발생하는 자계에 의한 기전력을 발생하는 집전계자권선이 구비되는 집전계자장치와; 상기 집전계자장치에서 발생하는 기전력을 공급전원으로 입력받으면 자계를 형성하여 상기 추진권선과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석;이 구비되는 것을 특징으로 하는 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차를 제공한다.

이때, 상기 대차는 대차프레임의 하부 전후단에 차륜이 구비되되, 상기 대차프레임의 중앙 하부에 궤도의 추진권선과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석이 구비되며, 상기 대차의 전방 또는 후방 하부에 상기 집전계자장치가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 집전계자장치와 추진전자석은 상기 추진권선과 동일한 높이차를 갖도록 철도차량의 대차에 설치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 집전계자장치과 추진전자석의 이격거리는 추진전자석의 종방향길이의 1.5 배인 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 추진권선은 궤도를 따라 2열로 배치되며, 상기 집전계자장치와 추진전자석은 상기 추진권선에 대응하여 2열로 배치되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 추진권선에서 발생하는 직류자계에 의해 집전계자장치의 집전계자권선에서는 싸인파 형태의 기전력은 정류 회로와 필터 회로를 거쳐 철도차량의 구내설비에 필요한 DC전력으로 변환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 대차에 집전계자장치를 구비하여 철도차량의 추진력을 발생하는 추진전자석의 구동 및 철도차량 내부의 구내설비 구동을 위한 전원을 별도의 설비 없이도 효과적으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명은 철도차량의 대차에 설치되는 추진전자석과 동일한 높이로 대차의 전방 또는 후방에 집전계자장치를 설치하여 대차 공간을 효율적으로 사용할 수있을 뿐만아니라 복잡한 추가 전력변환 회로 없이 간단한 정류 회로와 필터회로만으로 차량에서 필요한 DC전력을 생성할 수 있다.

특히, 본 발명은 자기부상 방식이 아닌 차륜지지방식으로 공극이 일정하여 레귤레이터 등의 추가적인 장치가 필요하지 않아 회로 구성을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 집전계자권선은 지상의 추진권선과 일치하여 추진전자석과 같은 높이로 주행대차에 설치하고 추진전자석과의 이격거리는 추진전자석의 종방향길이의 1.5 배로 대차에 취부하므로서 DC 전력의 출력이 가능하다.

도 1은 종래 자기부상시스템의 3상 추진권선 방식에 적용된 집전계자권선의 기전력 파형을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 저면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치의 기전력 발생원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 제어 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 내지 도 7을 참고하면, 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차(1)는 전력변환장치(2)에서 공급되는 전원에 의해 자계를 발생하는 추진권선(20)이 마련되는 지상의 궤도를 주행시에 상기 추진권선(20)과의 상호작용에 의해 기전력을 발생하는 집전계자권선으로 이루어지는 집전계자장치(100)를 설치하여 철도차량의 추진을 제어하는 추진전자석(200)의 구동을 위한 전원을 발생시킨다.

이때, 상기 대차(1)는 통상 대차프레임(10)에 차륜(12), 차축, 현수장치, 기초제동장치, 지지틀 등과 같은 구성품이 설치되어 철도차량을 안전하게 궤도 레일을 따라 안내하고, 진동을 완충시키고 차체를 지지한다.

한편, 본 발명은 특히 2상2열 리니어 펄스 모터로 구동되는 철도차량의 전원 공급이 가능하도록 하기 위한 것으로, 철도차량의 집전계자장치(100)를 통해 지상의 궤도를 따라 마련되는 2열의 추진권선(20)과의 상호작용에 의해 전원을 발생한다.

이와 같은 본 발명에 따른 철도차량용 대차(1)는 지상 궤도의 추진권선(20)에 의해 발생하는 자계에 의한 기전력을 발생하는 집전계자권선이 구비되는 집전계자장치(100)와, 상기 집전계자장치(100)에서 발생하는 기전력을 공급전원으로 입력받으면 자계를 형성하여 상기 추진권선(20)과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석(200)이 구비된다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 추진권선(20)은 궤도를 따라 2열로 배치되며, 전력변환장치(2)로부터 전원을 공급받으면 자계를 발생하게 되며 이는 상기 추진전자석(200)과의 상호작용에 의한 추진력을 발생함과 동시에 상기 집전계자장치(100)의 집전계자권선을 통한 기전력을 발생시켜 철도차량에 필요한 전원을 발생하도록 한다.

한편, 상기 대차(1)는 대차프레임(10)의 하부 전후단에 차륜(12)이 구비되는 구조로 이루어지는 것으로 주행대차를 의미한다.

이와 같은 대차프레임(10)의 중앙 하부에 궤도의 추진권선(20)과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석(200)이 구비되며, 상기 대차(1)의 전방 또는 후방 하부에 집전계자장치(100)가 구비된다.

이때, 상기 집전계자장치(100)와 추진권선(20)의 높이차는 지상의 추진권선(20)과 상호작용하는 추진전자석(200)의 높이차와 동일하게 같은 높이로 대차(1)에 설치하여, 철도차량의 추진을 위한 추진전자석(200)의 전원은 물론 철도차량의 구내에 사용되는 전력을 공급하도록 한다.

특히, 상기 집전계자장치(100)의 집전계자권선의 코일 권선수와 추진전자석(200)의 코일 권선수는 적절하게 설계할 수 있으며, 지상의 주행 궤도를 따라서 2열로 마련되는 추진권선(20)에 대응하여 2열로 집전계자장치(100)와 추진전자석(200)을 2열로 배치한다.

이와 같은 구성에 의하면 추진권선(20)에서 발생하는 직류자계에 의해 집전계자장치(100)의 집전계자권선에서는 싸인파 형태의 기전력이 출력되지만 권선 집전계자권선의 방식과 위치에 따라(+) 혹은 (-)의 한 방향으로만 기전력의 발생이 가능하여 복잡한 추가 전력변환 회로 없이 간단한 정류 회로(300)와 필터 회로(400)만으로 철도차량(1a)의 각종 구내설비(500)에서 필요한 DC전력의 생성이 가능하다.

이때, 상기 정류 회로(300)는 통상의 싸인파 형태의 전원을 DC전원으로 변환하며, 상기 필터 회로(400)는 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다.

물론, 상기 정류 회로(300) 또는 필터 회로(400)를 거친 전원을 별도의 충전장치(미도시됨)에 충전하여 추진권선(20)의 동작 불능, 집전계자장치(100) 등의 이상 등의 비상 상황 발생시 충전전원을 사용할 수 있도록 함이 바람직하다.

아울러, 상기 집전계자장치(100)는 자기부상 방식이 아닌 차륜지지방식으로 공극이 일정하여 레귤레이터 등의 추가적인 장치가 필요없어 집전되는 전원의 변환을 위한 구성을 간소화할 수 있다.

또한, 상기 집전계자장치(100)는 지상의 추진권선(20)과의 높이차를 추진전자석(200)과 같은 높이로 대차(1)에 설치하고, 추진전자석(200)과의 이격거리는 추진전자석(200)의 종방향길이의 1.5 배로 대차(1)의 전방 또는 후방에 취부함에 따라 DC 전력의 출력이 가능하다.

이때, 상기 집전계자장치(100)는 대차(1)의 전후 양측 끝에 고정되는 대차프레임(10)에 설치하여 지상의 추진권선(20)과 마주하도록 집전계자장치(100)의 집전계자권선을 설치함이 바람직하다.

아울러, 상기 집전계자장치(100)의 집전계자권선은 추진권선(20)의 극과 동일한 크기의 권선으로 시행하며, 요구되는 출력전압을 얻기위한 권선수를 가변 조정함이 바람직하다.

그리고, 상기 집전계자장치(100)의 전후에 브라켓을 통하여 롤러를 구비함이 바람직하다.

한편, 상기 대차(1)는 대차프레임(10)의 하부 전후단에 차륜(12)이 구비되는 구조로 이루어지는 것으로 주행대차를 의미한다.

그리고, 상기 대차(1)의 양측 하부에는 브레이크 장치(600)를 구비할 수 있으며, 이는 바퀴·레일간의 접착력에 의존하지 않고 레일에 직접 마찰력이나 자기항력을 발생시켜 브레이크력으로 제동하는 트랙 브레이크(track brake)를 적용함이 바람직하다.

물론, 상기 집전계자장치(100)와 추진전자석(200) 및 브레이크 장치(600)의 구동 제어는 철도차량의 운행 및 상태를 감시하는 차상 제어기(미도시됨)의 지령에 따라 이루어질 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차의 구동 예를 설명한다.

전력변환장치(2)에서 공급되는 전원에 의해 지상의 궤도의 추진권선(20)에는 자계가 발생한다. 이에 따라 철도차량이 지상의 궤도를 주행시 철도차량(1a)의 대차(1)에 구비되는 집전계자장치(100)의 집전계자권선은 지상의 추진권선(20)의 자계에 의해 기전력을 발생하게 된다.

이에 따라 상기 집전계자권선에서 집전되는 전원은 철도차량의 추진을 제어하는 추진전자석(200)의 구동을 위한 DC 전원으로 변환되어 투입되면 추진전자석(200)은 자계가 발생하게 되어 상기 추진권선(20)과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시켜 열차를 구동시킨다.

물론, 상기 집전계자장치(100)를 통해 생성되는 전원은 정류 회로(300)와 필터 회로(400)를 거치면서 DC전원으로 변환하여 철도차량(1a)의 각종 구내설비(500)에서 필요한 안정적인 DC전원을 공급할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 대차 2: 전력변환장치
10: 대차 12: 차륜
20: 추진권선 100: 집전계자장치
200: 추진전자석 300: 정류 회로
400: 필터 회로 500: 구내설비
600: 브레이크 장치

Claims (6)

1. 대차를 구성하는 대차프레임의 하부 전후단에 차륜이 구비되고,
   지상의 전력변환장치에서 공급되는 전원에 의해 자계를 발생하는 추진권선이 마련되는 궤도를 주행시 추진권선에 의해 발생하는 자계에 의한 기전력을 발생하는 집전계자권선이 구비되는 집전계자장치가 대차의 전방 또는 후방 하부에 구비되며,
   상기 집전계자장치에서 발생하는 기전력을 공급전원으로 입력받으면 자계를 형성하여 상기 추진권선과 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시키는 추진전자석이 대차프레임의 중앙 하부에 구비되고,
   상기 집전계자장치와 추진전자석은 상기 추진권선과 동일한 높이차를 갖도록 철도차량의 대차에 설치되며,
   상기 집전계자장치와 추진전자석의 이격거리는 추진전자석의 종방향길이의 1.5 배로 형성되고,
   상기 추진권선에서 발생하는 직류자계에 의해 집전계자장치의 집전계자권선에서는 싸인파 형태의 기전력은 정류 회로와 필터 회로를 거쳐 철도차량의 구내설비에 사용하기 위한 DC전력으로 변환되는 것을 특징으로 하는 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차.
   
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3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 추진권선은 궤도를 따라 2열로 배치되며, 상기 집전계자장치와 추진전자석은 상기 추진권선에 대응하여 2열로 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 펄스 모터 구동용 집전계자장치가 구비된 철도차량용 대차.
   
6. 삭제

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