KR101945232B1 - 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템에 관한 것으로; 차량이 이동하는 지상의 궤도에 마련되어 직류(DC) 전압이 인가되어 고정자계를 발생하는 지상 계자 코일과, 상기 차량의 하부에 마련되어 차량의 추진력을 발생하도록 교번자계를 발생시키는 2상의 차상 전기자 코일로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 2상의 차상 전기자 구조와 직류 펄스전압에 의한 구동을 통해 종래 지상구동형 리니어모터가 갖는 복잡한 엔드턴 및 권선단부의 단부효과로 인한 드래깅 토크의 발생과 3상 정현파 구동에 따른 높은 스위칭주파수의 사용 등으로 인한 문제점을 개선하고, 슬립이 없어도 추진력을 발생시킬 수 있으므로 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템 {Linear motor propulsion system}

본 발명은 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 직류 펄스전압으로 구동하는 차상 가변전기자 구동 리니어 모터 추진시스템을 통해 간단한 구조와 제어방법을 사용하여 중량이 가볍고 발열 및 냉각 성능을 향상시키고, 비점착 구동 특성을 통한 높은 가감속 성능과 고속 주행이 용이하며, 하나의 제어구간에도 여러대의 차량이 운행가능하여 운행시격을 단축할 수 있는 시스템을 구현가능한 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 리니어 추진시스템은 회전형 전동기를 펼친 상태로 하여 계자와 회전자(또는 전기자)를 각각 차량과 지상에 설치하여 상호작용에 의해 추진력을 발생하는 장치로서, 비점착 구동이 가능한 리니어 추진시스템은 견인력의 제한이 없어 높은 가감속 성능 및 경사로 주행성능을 가질 수 있다.

이와 같은 리니어 추진시스템으로 본 출원인은 등록특허 제1504320호, 등록특허 제1372426호, 등록특허 제1313624호 등을 제안한 바 있다. 이들은 구동장치의 설치 위치에 따라 지상의 전기자 코일을 제어하여 추진력을 발생하는 지상 구동방식과, 차상에서 전기자 코일을 제어하여 추진력을 발생하는 차상 구동방식으로 나누어진다.

이때, 상기 지상 구동방식은 지상에 설치된 지상 구동장치가 지상에 설치된 전기자 코일을 제어하여 이동자계를 생성하고 차상에 설치된 계자와 상호작용하여 추진력을 발생시키며, 상기 차상 구동방식은 차상에 설치된 전기자 코일을 제어하여 지상에 설치된 계자 코일 혹은 리액션 플레이트와 상호작용하여 추진력을 발생시킨다.

그런데, 이와 같은 종래의 리니어 추진시스템은 3상 교류에 의한 구동방식의 경우 전기자 회로의 구성이 복잡하며 재료가 많이 소모되는 문제와 구동장치의 제어방법이 복잡하며, 높은 스위칭 주파수에 기인하는 발열 및 냉각의 문제가 있다.

더욱이 상기 지상 구동방식은 지상의 구동장치에 의하여 지상에 설치된 전기자 코일을 제어하므로 하나의 지상코일 섹션에 한대 이상의 차량이 운행하기 어렵다.

따라서, 지상 구동방식은 차량의 운행시격을 단축하기 어렵고, 이로 인해 도시철도와 같이 운행시격이 짧은 노선에 적용하기 어려운 문제점을 안고 있다.

또한, 상기 차상 구동방식은 지상에는 비교적 구조가 단순한 리액션 플레이트를 설치하여 운영하는 비동기형 유도전동기 방식이 사용되고 있으나 차상계자를 3상 권선구조로 하여 제어를 하므로 제어회로 및 제어방법이 복잡해지고, 단부효과 등의 영향으로 고속화가 어려운 문제점을 안고 있다.

등록특허 제1504320호 등록특허 제1372426호 등록특허 제1313624호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 간단한 구조와 제어방법을 적용할 수 있도록 직류 펄스전압으로 구동하는 차상 가변전기자 구동 리니어 모터 추진시스템을 제공할 수 있는 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 중량이 가볍고 발열 및 냉각 성능을 향상시키고 비점착 구동 특성을 통한 높은 가감속 성능과 고속 주행이 용이하며 하나의 제어구간에도 여러대의 차량이 운행가능하여 운행시격을 단축할 수 있는 시스템의 구현이 가능한 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

차량이 이동하는 지상의 궤도에 마련되어 직류(DC) 전압이 인가되어 고정자계를 발생하는 지상 계자 코일과, 상기 차량의 하부에 마련되어 차량의 추진력을 발생하도록 교번자계를 발생시키는 2상의 차상 전기자 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템을 제공한다.

이때, 상기 지상 계자 코일은 지상의 궤도를 따라 일정 구간마다 꼬임이 있도록 권선되어 전력변환장치로부터 직류 전원을 공급받아 고정자계를 발생하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 지상 계자 코일은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 차상 전기자 코일은 단위 유니트로 모듈화되어 차량의 하부에 다수개가 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차상 전기자 코일은 2상 권선으로 구성되어 각상에 교대로 전압이 인가되어 교번자계를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 2상의 차상 전기자 코일은 구동부에 의해 직류펄스전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 구동부는 차상 전기자 코일의 각 상에 교대로 전압을 인가할 수 있도록 복수의 구동 스위치로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동 스위치는 전력반도체 소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 구동부를 구성하는 복수의 구동 스위치는 제어부에 의해 제어되며, 상기 제어부는 구동 스위치의 스위칭 순간을 결정하기 위하여 자기력 센싱을 실시하여 발생하는 자기력 센싱정보를 수신하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 차상 전기자 코일은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 2상의 차상 전기자 구조와 직류 펄스전압에 의한 구동을 통해 종래 지상구동형 리니어모터가 갖는 복잡한 엔드턴 및 권선단부에서의 단부효과로 인한 드래깅 토크의 발생과 3상 정현파 구동에 따른 높은 스위칭주파수의 사용 등으로 인한 문제점을 개선하고, 슬립이 없어도 추진력을 발생시킬 수 있으므로 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 종래 지상구동형 리니어모터 방식의 지상 전기자 코일 섹션에 한대 이상의 차량 운행이 불가능한 구조를 탈피하여 차량 운행간격의 제약이 없으므로 운전시격을 자유롭게 조절할 수 있어 도시철도차량과 같이 운행시격이 짧은 노선에도 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 리니어 모터에 의한 추진력을 동력으로 사용하는 비점착 구동방식을 사용하므로 높은 가감속 성능 및 등판성능과 고속 주행 성능이 우수하며, 차상 구동장치의 무게 및 부피 역시 줄일 수 있어 차량 적용에 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 차상 전기자 코일의 상세 구성도이다.
도 3은 발명에 따른 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템의 추진력 발생 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템을 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 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템은 차량이 이동하는 지상의 궤도(1)에 마련되어 직류(DC) 전압이 인가되어 고정자계를 발생하는 지상 계자 코일(100)과, 상기 차량(2)의 하부에 마련되어 차량의 추진력을 발생하도록 교번자계를 발생시키는 2상의 차상 전기자 코일(200)로 구성된다.

이와 같은 구성에 의하면 지상에 설치한 지상 계자 코일(100)은 직류전압이 인가되어 고정자계를 형성하고, 차상에 설치된 2상의 차상 전기자 코일(200)은 위치에 따라 각상에 교대로 전압이 인가되어 교번자계를 형성하여 지상의 지상 계자 코일(100)에서 발생하는 자계와 흡인력 및 반발력을 띄게 되며 이러한 상호작용에 의해 발생하는 흡인력 및 반발력은 차량(2)의 추진력으로 작용하게 된다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 지상 계자 코일(100)은 차량(2)이 이동하는 지상의 궤도를 따라 마련되어 직류(DC) 전압이 인가되어 고정자계를 발생한다.

이때, 상기 지상 계자 코일(100)은 궤도와 인접하여 마련되는 전력변환장치(110)로부터 직류 전원을 공급받아 고정자계를 발생하게 되며, 차상 전기자 코일(200)과의 상호작용에 의해 차량(2)의 주행에 필요한 구동력을 발생시킨다.

이와 같은 지상 계자 코일(100)은 지상의 궤도를 따라 일정 구간마다 꼬임이 있도록 권선되어 전력변환장치(110)에 의해 직류(DC) 전원 공급이 이루어지는 경우 서로 이웃하는 구간의 자계 방향은 서로 반대 방향을 형성하게 된다.

이때, 상기 지상 계자 코일(100)은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성될 수 있으며, 지상 계자 코일(100)의 설치구간을 분할할 수 있다.

아울러, 상기 지상 계자 코일(100)의 효율적인 구동을 위하여 열차제어시스템과의 인터페이스를 통해 일정 구간 내에 진입하는 경우 지상 계자 코일(100)에 직류전압을 인가하도록 운영할 수 있다.

이를 위해 상기 전력변환장치(110)는 관제센터 또는 열차의 차상제어시스템으로 열차정보를 입력받아 일정 구간내로 진입하는 경우 해당 구간의 지상 전기자 코일(100)에 직류전압을 인가하도록 함이 바람직하다.

한편, 상기 차상 전기자 코일(200)은 차량(2)의 하부에 마련되어 차량의 추진력을 발생하도록 교번자계를 발생시키는 것으로, 차상 전기자 코일(200)의 턴(turn)수를 조절하여 필요한 기자력을 얻을 수 있다.

이와 같은 차상 전기자 코일(200)은 단위 유니트로 모듈화되어 차량(2)의 하부에 다수개가 장착될 수 있으며, 이와 같이 모듈화를 함으로써 고장 시에 단위 유니트의 모듈 단위로 용이하게 교체 또는 수리할 수 있도록 함이 바람직하다.

이때, 상기 차상 전기자 코일(200)은 2상 이상의 복수로 구성되는 것으로서, 차상에 설치된 2상 권선으로 구성되는 전기자 코일은 위치에 따라 각상에 교대로 전압이 인가되어 교번자계를 형성하도록 배치된다.

이와 같은 2상의 차상 전기자 코일(200)은 구동부(210)에 의해 직류펄스전압이 인가되는 구조로, 구동부(210)는 차상 전기자 코일(200)의 각 상에 교대로 전압을 인가할 수 있도록 복수의 구동 스위치(S1 ~ S6)로 구성되며, 상기 구동 스위치(S1 ~ S6)는 예를 들어 IGBT 등의 전력반도체 소자를 사용함이 바람직하다.

물론, 상기 구동 스위치(S1 ~ S6)는 제어부(220)의 제어에 의해 온오프 제어가 이루어지며 그에 따라 차상 전기자 코일(200)의 각 상에 교대로 전압이 인가되어 교번자계를 발생하여 지상 계자 코일(100)에서 발생하는 고정자계와의 상호작용에 의해 철도차량의 추진력을 발생시킨다.

이 경우 차상 전기자 코일(200)의 구동을 위한 구동부(210)는 각상인 A상과 B상을 개별적으로 독립제어할 수 있도록 복수가 구비될 수 있다.

또한, 상기 제어부(220)는 구동부(210)를 구성하는 복수의 구동 스위치(S1 ~ S6)의 스위칭 순간을 결정하기 위하여 자기력 센싱을 실시하여 발생하는 자기력 센싱정보를 수신할 수 있다. 이 경우 자기력 센싱수단은 차상에 구비함이 바람직하나, 필요에 따라서는 지상에 설치하고 그 정보를 무선으로 수신하도록 함도 가능하다.

아울러, 상기 차상 전기자 코일(200)은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성될 수 있다.

이와 같은 차상 전기자 코일(200)과 지상 계자 코일(100)은 1열 이상 다열로 구성될 수도 있다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참고로 본 발명에 따른 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템의 추진력 발생 예를 설명한다.

우선, 전력변환장치(110)에 의해 공급되는 직류(DC) 전압은 지상의 궤도를 따라 일정 구간마다 꼬임이 있도록 권선되어 있는 지상 계자 코일(100)에 인가되어 고정자계를 형성한다. 이와 같은 고정자계는 서로 이웃하는 구간의 자계 방향이 서로 반대 방향의 극성인 S극, N극 구간이 서로 번갈아가며 형성된다.

이와 같은 상태에서 차상의 제어부(220)는 구동부(210)를 구성하는 복수의 구동 스위치(S1 ~ S6)를 스위칭하여 차상 전기자 코일(200)에 전원을 투입하여 교번자계를 발생한다.

예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 차량(2)이 지상 궤도(1)의 N극, S극 구간(P1, P2)에 진입하는 경우는 차량의 제어부(220)에서 구동부(210)의 스위치(S2, S5)를 턴온한 경우이다.

이 상태에서 차량의 추진력을 얻기 위해 구동부(210)의 스위치(S3, S6)를 턴온하면 차상 전기자 코일(200)에 전압이 인가되어 S극, N극, S극 영역이 형성되어 지상 전기자 코일(100)의 고정자계와의 흡인력 및 반발력에 의해 차량에 추진력이 발생하여 지상의 S극, N극, S극 구간(P1, P2, P3)에 차량(2)이 진입하게 된다.

이 상태에서 다시 차량의 제어부(220)에서 구동부(210)의 스위치(S1, S6)를 턴온하면 차상 전기자 코일(200)에 전압이 인가되어 N극, S극 영역이 형성되어 지상 계자 코일(100)의 고정자계와의 흡인력 및 반발력에 의해 차량에 추진력이 발생하여 지상의 S극, N극 구간(P2, P3)에 차량(2)이 진입하게 된다.

그리고, 다시 차량의 제어부(220)에서 구동부(210)의 스위치(S4, S5)를 턴온하면 차상 전기자 코일(200)에 전압이 인가되어 N극, S극, N극 영역이 형성되어 지상 계자 코일(100)의 고정자계와의 흡인력 및 반발력에 의해 차량에 추진력이 발생하여 지상의 S극, N극, S극 구간(P2, P3, P4)에 차량(2)이 진입하게 된다.

이후 다시 차량의 제어부(210)에서 구동부(220)의 스위치(S2, S5)를 턴온하면 차상 전기자 코일(200)에 전압이 인가되어 S극, N극 영역이 형성되어 지상 전기자 코일(100)의 고정자계와의 흡인력 및 반발력에 의해 차량에 추진력이 발생하여 지상의 N극, S극 구간(P3, P4)에 차량(2)이 진입하게 된다.

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: 궤도 2: 차량
100: 지상 계자 코일 110: 전력변환장치
200: 차상 전기자 코일 210: 구동부
220: 제어부 S1 ~ S6: 구동 스위치

Claims (10)

1. 차량이 이동하는 지상의 궤도에 마련되어 직류(DC) 전압이 인가되어 고정자계를 발생하는 지상 계자 코일과, 상기 차량의 하부에 마련되어 차량의 추진력을 발생하도록 교번자계를 발생시키는 2상의 차상 전기자 코일로 구성되고,
   상기 차상 전기자 코일은 단위 유니트로 모듈화되어 차량의 하부에 다수개가 장착되며,
   상기 2상의 차상 전기자 코일은 구동부에 의해 직류펄스전압이 인가되고,
   상기 구동부는 차상 전기자 코일의 각 상에 교대로 전압을 인가할 수 있도록 전력반도체 소자로 구성되는 복수의 구동 스위치로 구성되며,
   상기 구동부를 구성하는 복수의 구동 스위치는 제어부에 의해 제어되고, 상기 제어부는 구동 스위치의 스위칭 순간을 결정하기 위하여 자기력 센싱을 실시하여 발생하는 자기력 센싱정보를 수신하고,
   상기 지상 계자 코일은 지상의 궤도를 따라 일정 구간마다 꼬임이 있도록 권선되어 전력변환장치로부터 직류 전원을 공급받아 고정자계를 발생하며,
   상기 전력변환장치는 관제센터 또는 열차의 차상제어시스템으로 열차정보를 입력받아 열차가 설정된 구간내로 진입하는 경우 해당 구간의 지상 전기자 코일에 직류전압을 인가하고,
   상기 차상 전기자 코일은 2상 권선으로 구성되어 각상에 교대로 전압이 인가되어 교번자계를 형성하도록 배치되며,
   상기 지상 계자 코일은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성되고,
   상기 차상 전기자 코일은 코어에 권취된 상태의 코어형 또는 비코어형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차상 가변전기자 코일로 구동되는 리니어모터 추진 시스템.
   
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