KR20000016095A - 차량의 전기구동시스템 - Google Patents

Abstract

예를 들어 철도기관차 및 대형자동차들의 주전동기들을 구동하기 위한 것으로서, 절연도선들이 구비된 하나 또는 그 이상의 전기기계를 포함할 수도 있는 설비에 있어서, 주전동기 및/또는 적어도 하나의 다른 전기기계에 있는 자기회로가 21∼800kV, 바람직하게는 36kV보다 높은 고압공급전압에 직접 연결되어 있다.

각 주전동기 및 다른 전기기계의 절연부에 그 권선을 형성하는 케이블(6)이 설치되어 있는데, 이 케이블(6)은 적어도 두 개의 반도체 층(32, 37)과 중간절연층(36)에 의해 둘러싸이며, 다수의 소선(36)을 갖는 하나 또는 그 이상의 도선(31)을 포함한다. 주전동기(들)는 그 사이에 연결된 다른 전기기계에 연결되지 않고, 또는 하나 또는 그 이상의 전기기계를 거쳐, 철도의 전력선에 전력을 공급하는 배전네트워크에 연결될 수 있다. 따라서, 기관차/대형자동차는 다른 전기기계가 없이 주전동기로만 만들어 질 수 있다.

Description

차량의 전기구동시스템

전기기계의 자기회로는, 용접구조로 되고, 예를 들어 강판으로 된 적층철심을 구비하고 있는 것이 보통이다. 환기와 냉각을 위해, 적층철심은 방사상의 그리고/또는 축방향의 환기덕트를 구비한 스택(stacks)들로 나뉜다. 보다 큰 기계의 경우에는 적층물(laminations)이 세그멘트로 펀칭되어(punched out) 기계의 프레임에 부착되며, 적층철심은 압축핑거와 압축링에 의해 함께 지지된다. 자기회로의 권선는 적층철심의 슬롯홈(slot)에 배치되며, 슬롯홈들은 장방형 또는 사다리꼴 형상의 단면을 가지는 것이 보통이다.

다상(multi-phase) 전기기계에 있어서, 권선는 단층 또는 복층권선으로 만들어진다. 단층권선에 있어서는, 슬롯홈마다 단 하나의 코일변(coil side)이 있고, 그 반면 다층권선에 있어서는, 슬롯홈마다 코일변이 둘이 있다. 코일변은 수직 또는 수평으로 결합되고, 공통코일절연부, 예를 들어 모터의 접지에 대한 정격전압을 견딜 수 있도록 설계된 절연부가 구비된 하나 또는 그 이상의 도선을 의미한다.

복층권선은 다이아몬드 권선으로 만들어지는 것이 일반적이고, 그 반면 단층권선은 다이아몬드 권선 또는 평형(flat)권선으로 만들어질 수 있다. 다이아몬드 권선에서는 단 하나(둘도 가능)의 코일폭(coil width)이 존재하고, 그 반면 평형권선은 동심권선, 예를 들어 폭 넓게 다양한 코일폭을 가지도록 만들어진다. 코일폭이란, 동일한 코일에 관한 2개의 코일변 사이의 아크치수(arc dimension)내의 거리를 의미한다.

모든 대형기계는 다층권선 및 동일 크기의 코일로 만들어지는 것이 보통이다. 각 코일은 일측이 하나의 층에 그리고 타측이 다른 층에 위치하게 된다. 이것은 모든 코일이 코일단부(in the coil end)에서 서로 교차하는 것을 의미한다. 2개층 이상이 있으면, 이들 교차점이 권선작업을 복잡하게 하고 코일단부가 덜 만족스럽다.

역사적인 이유로 인해, 상이한 전압과 주파수를 가지는 수많은 전력공급시스템이 철도운영을 위해 개발되었다. 하나의 시스템이 어느 지역에 설치되고 나면, 다른 시스템으로 바꾸는 것은 경비가 많이 소요되고 운전상의 혼란이 초래된다. 원칙적으로, 공급전압과 관련하여 6가지의 표준해결책(standard solutions)이 있으며, 그중 3가지는 직류전압시스템과 3개의 교류전압시스템이다. 이것은, 많은 견인자동차(기관차 및 대형자동차)와 승합자동차가 하나 이상의 전력공급시스템용으로 제작되어야 함을 의미했다. 서로 다른 국가 사이의 통합교통량(integrated traffic)을 위한 기관차와 자동차가 4종에 이르는 서로 다른 전력공급시스템에 사용할 수 있도록 되어 있는 것이 오늘의 현실이다.

궤도전력공급(track supply)용의 전기에너지는 일반적인 배전네트워크로부터 받을 수도 있고 철도당국에 의해 운영되는 발전소에서 발전될 수도 있다. 공급전력이 교류 또는 직류전압인가에 따라 구조가 달라지게 마련이다. 직류전기시설의 경우 일반배전네트워크에 의해 공급된 교류전압으로부터의 변환을 위해 정류스테이숀이 필요하다. 이들 정류스테이숀은 철도연변의 일정 지점에서 직류전압을 공급한다. 산업용주파수(50 또는 60Hz)를 사용하는 교류전기시설의 경우 일정지점에 변압기만을 설치하면 된다. 이것이 가장 간단하고 저렴한 해결책으로서 전력손실도 가장 낮다. 저주파수교류(16⅔ 또는 25Hz)의 전기시설의 경우, 콘버터 스테이숀은 일반배전네트워크 또는 특수전력 스테이숀 그리고 저주파수 교류용 특수배전네트워크의 산업용주파수로부터 전압을 변환시켜야 한다.

직류전압전기시설은 본래, 적당한 그리고 간단히 제어되는 모터, 직렬여자 직류모터를 사용할 수 있기 때문에 선택되었다. 전에는 3상교류전압이 회전 콘버터 또는 수은 아크 정류기의 도움으로 직류전압으로 변환되었으나, 지금은 전압변환이 6- 또는 12-펄스 리레이에 의해 수행되는 것이 일반적이다.

직류전압시스템에는, 전류가 직류모터에 직접 사용될 수 있는 이점이 있다. 직류전압의 경우에 그러하듯이 전압을 강하시키기(step-down) 위해 차량에 무거운 변압기를 설치할 필요가 없다. 직류전압이 공급되는 차량은 따라서 어느 정도 값이 싸고 만들기 쉽다. 안전성의 측면에서 낮은 직류전압은 이점이 있다(때때로 노출될 수도 있는 전력부스바가 사용되는 지하철도의 경우가 그 예이다).

교류전압운전의 결점은 전류, 그리고 결과적으로 전압강하 및 손실이 상당하다고 하는 저전압에 주로 기인한다. 이것은 큰 도선영역(conductor areas)과 근접한 정류스테이숀(정류스테이숀간의 거리가 보통 10Km이내)에 의해 보상되어야 한다. 이것은 고가의 설비라는 결과로 나타난다. 그러한 결점들은 고속교통량과 같은 고출력에서 특히 두드러진다. 고전력 정류스테이숀은 서로 근접하게 건설되어야 하며, 해당 전력공급스테이숀을 기차가 통과하는 단시간내에만 사용되어야 한다.

주전동기용으로 산업용주파수(50 또는 60Hz)를 사용할 수 있게 되기 전에는, 1차적인 교류전압시스템은 저주파수전압(16⅔ 또는 25Hz)의 전기가 사용되었다. 그러한 시스템에 장기간 사용된 주전동기는, 단상 주전동기로도 알려진 단상 직렬콤뮤테이터 모터였다. 이 모터는, 교류가 공급되기 때문에 전기장과 회전자 전류가 모두 2 분의 1 주기마다 바뀌는 것을 제외하고는 거의 직류모터와 동일한 기능을 발휘한다. 과전압이나 전기아크를 해하지 않고 기능하는 콤퓨테이숀(commutation)을 얻기 위해 저주파수 그리고 저속모터가 선택되지 않으면 안되었다.

직류시스템에 대한 교류시스템의 주된 이점은 (직류전압이 오늘날 소위 쵸퍼에 의해 변압된다고 하더라도) 교류전압이 변압될 수 있다는 것이다. 따라서, 모터가 동작하는 전압과 관련하여 가공전선(overhead conductor)에 비교적 높은 전압을 유지할 수 있다. 가공전선의 높은 전압 때문에, 전류가 낮아지고, 그에 따라 전선네트워크에 보다 양호한 송전능력과 보다 낮은 손실이 주어진다. 전력공급스테이숀은 훨씬 멀리(60∼120㎞) 떨어지게 위치하도록 할 수 있다. 그러나, 하나의 결점은 주전동기가 대형이고 제어기술이 복잡하다는 것이다.

다른 결점은, 모터 제너레이터, 즉 하나의 단상 16⅔Hz 동기 제너레이터를 구동시키는 일반적인 50Hz 동기모터가 보통 사용되는 경우 주파수 콘버터가 필요하다는 것이다. 모터는 제너레이터보다 3배나 많은 극(pole)을 가진다. 회전 콘버터는, 절연이 지나치게 강해야 되는 것을 피하기 위해 공칭전압이 상당히 낮게(6kV) 만들어져야 한다. 따라서 콘버터의 전후에 변압기가 필요하다. 동일설비에서 몇 개의 콘버터가 운용되는 것이 보통이다.

가공전선네트워크 그리고 차량에서 일어나는 무효전력손실을 보상할 수 있는 무효전력을 회전 콘버터가 만들어낼 수 있다. 회전 콘버터는, 일반배전네트워크와 가공전선 시스템사이의 전기적 격리(electric separation)를 또한 제공한다.

회전콘버터의 주된 결함은 대형 동기기계의 시동에 시간이 걸리고 위상갖추기(phasing in)가 복잡하다는 것이다. 갑작스런 전력수요를 만족시킬 수 있어야만 한다. 그러므로, 기계들은 장기간에 걸쳐 보다 낮은 전력으로 또는 무부하에서 예비로(as reserves) 운전되어야 한다. 다른 결점은, 상술한 무부하운전에 부분적으로 기인하는 에너지 손실이다.

새로운 시설에서, 회전콘버터가 스태틱(static) 콘버터에 의해 대체되어 왔다. 스태틱 콘버터는 초기설치시(in initial outlay)와 유지보수에 있어서 비용이 적게 든다. 또한, 보다 빠른 기동과 보다 낮은 에너지손실이라는 이점이 있다. 그러나, 3상 및 단상 모두에 대해 고조파가 더 높다. 더욱이, 스태틱 콘버터는 유도부하(inductive load)에 의해 일어나는 전압강하를 보상하기 위해 무효전력을 발생시킬 수 없다.

상술한 바로부터 명백하듯이, 전기로 운용되는 철도에 사용되는 여러 시스템은 상대적으로 복잡하고 고가이다.

종래의 고정자권선으로 이루어진, 상술한 형태의 기계들은, 전압을 낮추기 위한 변압기를 사용하지 않고는 예를 들어 145kV의 고전압네트워크에 접속될 수 없다. 변압기를 거쳐 고전압네트워크에 연결하여 이렇게 모터를 사용함으로써, 고전압네트워크에 직접 연결될 수 있는 경우와 비교하여, 여러 가지 결점중 다음과 같은 수많은 결점이 수반된다 :

· 변압기가 고가이고, 수송비를 증가시키며, 점유공간이 필요하다.

· 변압기가 시스템의 효율을 떨어뜨린다.

· 변압기가 무효전력을 소모한다.

· 종래의 변압기는 오일이 들어 있고, 그에 따른 위험이 있다.

· 모터가 변압기를 통해 보다 약한 네트워크에 반대로 작용하므로 운전이 민감해야 한다.

본 발명은 배전 또는 송전네트워크(이하 전력네트워크라고 함)에 접속하기 위한 전기기계에 관한 것이다. 본 발명은 보다 상세하게는 주전동기(traction motors)들을 구동하기 위한 설비, 예를 들어 철도기관차 및 대형자동차(motor coaches)에 관한 것으로서, 당해 설비에 포함된 주전동기 및/또는 다른 전기기계에 하나의 자기철심 및 적어도 하나의 권선부가 구비되어 있다.

이와 관련하여, 본 발명은 첫 번째로 특허청구의 범위 제1항의 도입부에 기술된 형태의 전기구동시스템에 관한 것이고, 두 번째로 특허청구의 범위 제30항의 도입부에 기술된 형태의 전력송전수단에 관한 것이며, 세 번째로 특허청구의 범위 제35항의 도입부에 기술된 형태의 전력송전용 순서(procedure)에 관한 것이고, 네 번째로 특허청구의 범위 제36항의 도입부에 기술된 형태의 전기기계에 관한 것이며, 다섯번째로 특허청구의 범위 제42항의 도입부에 기술된 형태의 차량에 관한 것이다.

본 발명을 설비내의 전기기계의 자기회로의 구조의 바람직한 실시예에 의해 첨부도면을 참고로 아래에 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면에 있어서,

도 1은 본 발명에 의한 설비의 전기기계의 고정자의 하나의 섹터의 개략적인 축방향 단면도(axial end view)이고,

도 2는 도 1의 고정자의 권선부에 사용된 케이블을 계단식으로 벗겨낸 단면도이며,

도 3은 공지기술에 의한 철도운영에 있어서 주전동기의 전원공급을 위한 기본회로도이고,

도 4는 본 발명에 의한 철도운영에 있어서 주전동기의 전원공급을 위한, 도 3에 도시된 것에 대응하는 기본회로도이며,

도 5는 본 발명에 의한 철도운영에 있어서 주전동기의 전원공급을 위한 다른 실시예의 기본회로도이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명의 설비에 포함된 회전형 전기기계에 관한, 고정자(1)의 하나의 섹터의 개략적인 단면도인 도 1에 있어서, 기계의 회전자(2)도 또한 도시되어 있다. 고정자(1)는 적층철심에 의해 통상적인 방법으로 구성된다. 도 1은 단극피치에 상응하는 기계의 하나의 섹터를 보여준다. 방사상으로 가장 바깥쪽에 위치한 철심의 요크부(3)로부터, 다수의 치형(4)이 회전자(2)를 향해 내측으로 연장되어, 고정자 권선이 배치되는 슬롯홈(5)들에 의해 격리되어 있다. 이러한 고정자 권선을 이루는 케이블(6)들은 배전용으로 사용되는 것들과 실질적으로 동일한 형태일 수도 있는 고전압케이블들, 즉 PEX 케이블이다. 하나의 차이점은, 본 출원의 케이블이 하나의 도선과 그리고 하나의 절연층의 각 측면위에 위치한 적어도 하나의 반도체 층으로만 구성되어, 외측의 기계적 보호를 위한 피복 그리고 일반적으로 배전케이블을 둘러싼 금속스크린이 제거된다는 것이다. 그리하여, 기계적 손상에 민감한 반도체 층이 케이블의 표면에 그대로 노출되어 있다.

케이블(6)들은 도 1에 개략적으로 도시되어 있어서, 코일변 또는 각 케이블부의 전도성 중앙부만이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 각 슬롯홈(5)은 광폭부(7)와 협소부(8)가 번갈아 있는, 다양하게 변하는 단면을 가진다. 광폭부(7)는 대체로 원형이고 케이블면피복선(cabling), 즉 협소부(8)를 형성하는 중간부의 웨이스트부를 둘러싼다. 웨이스트부는 각 케이블의 위치를 방사상으로 고정시키는 역할을 한다. 슬롯홈(5)의 단면은 내측으로 방사상으로 좁아진다. 이것은 케이블부의 전압이 낮으면 낮을수록 케이블부가 고정자(1)의 방사상인 내측부에 더욱 가깝게 위치하기 때문이다. 그러므로 좀더 가느다란 케이블면 피복부가 그곳에 사용될 수 있고, 그 반면에 좀더 성긴 케이블면피복부가 그 바깥쪽에 필요하다. 도시된 예에 있어서, 3가지 서로 다른 치수의 케이블이 사용되는데, 3개의 상응한 치수를 가진 구획부(51, 52, 53)가 슬롯홈(5)에 만들어져 있다.

케이블(6)로 만들어진 회전전기기계의 자기회로에 관한 상기 설명은 변압기, 리액터권선 및 그와 유사한 것에도 적용가능하다. 설계와 제조상의 관점에서 아래와 같은 중요한 이점이 얻어진다;

· 변압기의 권선부가 여하한 전계분포(electric field distribution)도 고려하지 않고 구성될 수 있고, 그에 따라 공지기술에서 문제되는 트랜스포지숀(transposition)이 불필요하다.

· 변압기철심을, 여하한 전계분포도 고려하지 않고 설계할 수 있다.

· 케이블과 권선의 전기절연을 위해 오일이 필요하지 않고, 그대신 케이블과 권선은 공기로 둘러싸인다.

· 변압기의 외측 접속부와 그 내부에 위치한 코일/권선들 사이에 전기가 통하도록 하기 위한 특수붓싱이, 오일이 들어 있는 변압기에 있어서와 같이 필요하지 않다.

· 상술한 자기회로를 가지는 건식 변압기에 필요한 제조 및 시험기술이, 종래의 변압기/리액터에 필요한 것보다 상당히 간단하다.

도 2는 본 발명에 의한 설비에 포함된 전기기계에 사용되는 고전압 케이블을 계단식으로 벗겨낸 단면도를 나타낸 것이다. 고전압케이블(6)은 하나 또는 그 이상의 도선(31)으로 이루어지고, 각 도선은 다수의 소선(36)을 가지며, 소선들은 예를 들어 구리로 만들어지고 함께 하나의 원형 단면을 형성한다. 이들 도선(31)들은 고전압케이블(6)의 중앙부에 배치되고, 도시된 실시예에서 개별절연부(35)에 의해 둘러싸여 있다. 그러나, 개별절연부(35)는 도선(31)중 하나에는 생략하는 것이 적합하다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 도선(31)들은 함께 제1 반도체 층(32)으로 둘러싸여 있다. 이 제1 반도체 층(32)의 주위에, 예를 들어 PEX절연체로 된, 하나의 절연층(33)이 있고, 이 절연층은 다시 제2 반도체 층(34)으로 둘러싸여 있다. 그리하여, 본 출원에 있어서의 "고전압케이블"이라는 개념은 배전용 케이블을 일반적으로 둘러싸는 그러한 형태의 외장 또는 금속스크린을 가질 필요가 없다.

상술한 형태의 자기회로가 구비된 전기기계를 사용함으로써 주전동기 그 자체뿐 아니라 주전동기에 대한 전기공급이 크게 간단해지고 더욱 효율적이 된다. 교류전압에 의한 철도운영에 있어, 현재 사용되는 공급전압은 전원선(104)에서 16kV,16⅔ 또는 25Hz, 50Hz가 일반적이고, 도 3에 도시된 바와 같이 그(송전선)로부터 집전장치(112 ; current collector)를 거쳐 기관차(110)가 하나 또는 그 이상의 주전동기(114)에 전기를 공급한다.

전력선(104)의 전기공급을 위해, 이러한 공지된 공급설비는, 일반적인 3상 배전네트워크(100)로부터 예를 들어 130 또는 160kV, 50 또는 60Hz를 16 또는 25kV, 50 또는 60Hz로 전압을 낮추기 위해 변압기(101)를 필요로 한다. 16kV, 16⅔Hz의 경우 전압을 단상으로 바꾸어 철도전력선(104)에 공급되도록 하는 콘버터(102)가 필요하다.

공지의 교류용 주전동기는 1kV까지의 전압에 의해 구동되는 것이 보통이고, 따라서 기관차(110)는 변압기(113)와 속도제어장치를 구비해야 하는데, 후자는 현대의 기관차에 있어서 사이리스터로 구성된다.

공지의 설비에 사용되는 변압기(101, 113)는 오일이 들어 있어서, 환경문제를 일으킬 뿐 아니라 수많은 기계적, 전기적 단점을 가진다. 공지의 설비에서 변환(converting)과 운전에 사용되는 회전기계(102, 114)는 기계적으로 전기적으로 모두 여러 가지 문제를 갖고 있는데, 그 문제들은 얼마간 만족스러운 정도로 처리될 수 있다.

상기 문제점들은, 설비에 포함된 적어도 하나의 전기기계를 본 발명에 의해 설계함으로써 제거될 수 있거나, 여하간 최소로 할 수는 있는 것이다.

본 발명에 의한 설비의 실시예에 의해, 전력선(104)의 전압은, 중간변압기가 없는 3상배전네트워크(100)로부터 직접 구동되는 모터 제너레이터(105)에 의해 제공된다. 모터 제너레이터(108)는, 배전네트워크(100)에 직접 접속된 3상 모터(106)를 포함하여 구성되고, 그 모터의 자기회로는 도 1과 도 2를 참고로 위에 기술한 방식으로 형성된다. 3상 전기 모터의 샤프트(107)는 모터제너레이터(105)에 속하는 하나의 제너레이터(108)와 공용이다. 제너레이터(108)의 자기회로는 도 1과 도 2를 참고로 기술한 것과 동일한 방법으로 제작하는 것이 적당하다(이 디자인을 필수적으로 가질 필요는 없다). 제너레이터(108)는 철도전력선(104)에 사용되는 형태의 전압을 공급한다.

제너레이터(108)로부터 전력선(104)에 전기를 공급하기 위해 통상의 기관차(110)를 사용할 수 있다. 그러나, 도 1과 도 2를 참고로 기술한 바에 따라 설계된 자기회로를 가지는, 하나 또는 그 이상의 주전동기(115 ; 도 4 참조)가 장치된 기관차들에 의해 더욱 중요한 이점이 얻어진다. 그러한 주전동기(115)는, 여하한 중간변압기나 사이리스터 제어장치가 개재되지 않고 전력선(104)으로부터 직접 구동된다. 이미 언급한 이점외에, 이것은 또한 기관차에 대해 감소된 중량이라는 중요한 이점, 그리고 결과적으로 철도회사에 경제효과개선이라는 이점을 제공한다.

도 4에 도시된 설비의 다른 실시예가, 동일한 모터 제너레이터(105)가 철도전력선(104)에 전기를 공급하는 것으로 도 5에 도시되어 있다. 그러나, 기관차(110)에는, 도 1을 참고로 상술한 형태의 건식 변압기(116)가 장치되어, 그 변압기가 종래의 주전동기(114)에 전기를 공급한다.

도면과 위의 기술에 있어 일정한 전압값을 적시하였으나, 이들은 예를 든 것에 불과하다. 유사하게, 본 발명에 의한 자기회로가 구비된 전기기계와, 종래기술로 설계된 전기기계를 여러 가지로 조합한 것도 본 발명의 설비에 적합하다. 따라서, 본 발명은 첨부도면을 참고로 설명한 설비에 한정되는 것이 아니고, 첨부된 특허청구의 범위에 정의된 모든 적합한 설비를 모두 포함한다.

본 발명의 목적은, 이 분야의 공지시스템에 고유한 몇몇 문제점을 해결하여, 전기철도운영을 위한 구동시스템과 그 구성재를 제공하는 것이다.

이 목적은, 첫째 특허청구의 범위 제1항의 도입부에 기술된 형태의 전기구동시스템에 동청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징이 주어짐으로써, 둘째 특허청구의 범위 제30항의 도입부에 기술된 형태의 전력송전시스템에 동청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징이 주어짐으로써, 셋째 특허청구의 범위 제35항의 도입부에 기술된 형태의 과정(procedure)에 동청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징이 주어짐으로써, 넷째 특허청구의 범위 제36항의 도입부에 기술된 형태의 전기기계에 동청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징이 부여됨으로써, 다섯째 특허청구의 범위 제42항의 도입부에 기술된 형태의 차량에 동청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징이 부여됨으로써, 본 발명에 의해 성취된다.

이렇게 하여 본 발명은, 전기기계, 모터, 제너레이터, 변압기 등을 제작하기 위한 특수한 기술에 기초한 것으로서, 이 기술에서 전기권선이 특수한 방식으로 건식절연부(dry insulation)를 갖도록 만들어진다. 이렇게 함으로써, 변압기를 사용하지 않아도 되고 그리고/또는 상술한 종래의 변압기에 특유한 결함이 없어진 변압기를 제작하게 해준다.

구동시스템은, 배전네트워크로부터 챠량 휘일(vehicle wheels)까지의 다단계(several phases)의 전력송전에 있어서의 여러 가지 형태의 기계를 포함할 수도 있다. 그것은 또한, 일정단계에서만 종래의 기계와 결합된 그러한 특수기계를 자연스럽게 포함할 수도 있다.

그리하여 본 발명에 관련된 형태의 기계는 전력을 배전네트워크로부터 전원선에 또는 전원선으로부터 휘일액슬(wheel axles)에 송전하도록 설치할 수도 있다. 전자의 경우 그 기계는 변압기이거나, 콘버터로 동작하는 모터 제너레이터일 수도 있다. 후자의 경우 그 기계는 변압기이거나, 변압기를 전혀 필요로 하지 않는 주전동기일 수도 있다.

본 발명에 의한 구동시스템과 구성재는 여러 가지 철도시스템의 전원공급시스템에 적응시킬 수 있고, 그리고 적용가능한 변형을 가함으로써, 외부전원공급시스템이나 자체전원공급시스템을 가진 철도시스템에, 상이한 전압레벨과 상이한 주파수를 가진 철도에, 교류와 직류시스템 모두에, 그 뿐만 아니라 동기 및 비동기식 모터운전에, 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 여러 가지 측면은 토탈시스템, 배전시스템 및 차량에 관계되는 것으로 생각될 수 있다.

아래에 본 발명에 의해 제공되는 수 많은 이익을 설명한다. 특정한 바람직한 실시예에 관련된 이점도 또한 지적되어 있다. 수많은 다른, 특히 바람직한 실시예도 또한 종속항들, 즉 본 발명에 의한 구동시스템의 실제 기계의 이점많은 실시예에 특히 관련된 청구항 제2항∼제16항에 정의되어 있다.

변압기가 필요하다고 생각되는 경우, 변압기가 동일한 형태의 케이블을 사용하여, 설비에 포함된 다른 전기기계와 상응한 방식으로, 그리고 예를 들어, 스웨덴 특허 SE-A-9700335-4에 기술된대로 제조되어야 한다는 것이 본 발명의 하나의 목적이다.

위의 목적들을 만족시킴으로써 얻어진 이점은, 무효전력을 소비하기 마련인, 중간에 들어가는 요소인, 오일이 들어간 변압기를 사용하지 않아도 되는 것이다. 회전보상(rotating compensation)이 존재하므로 이점은 네트워크 품질에서도 얻어진다. 본 발명에 의한 설비에 있어서 과부하 용량이 증가되는데, 본 발명에서는 +100%일 수도 있다. 제어영역(control area)이 기존기술보다 더 크다.

이를 성취하기 위해, 설비에 포함된 적어도 하나의 전기기계의 자기회로와 그 도선들은 쓰레드된(threaded) 영구절연케이블을 써서 만들어지고 어쓰(earth)도 포함된다. 여기서 "설비"라 함은 철도용 전원선에 전력을 공급하는 전력네트워크의 일부, 그리고 전원선으로부터 전압을 끌어다 쓰는 기관차 또는 대형자동차의 일부를 모두 일컫는다.

본 발명에 의한 실시예와 공지기술사이의 가장 크고 필수적인 차이점은 전기설비의 적어도 하나의 기계에 포함된 자기회로에 의해 성취되는 것으로서, 그것은 20kV와 800kV사이, 바람직하게는 36kV보다 높은 고압공급전압에 차단기와 아이솔레이터(isolators)를 거쳐 직접 연결되도록 구성되어 있는 것이다. 자기회로는 그리하여, 도선 그리고 절연부외측 모두에 하나의 반도체 층(semiconducting layer)을 가지는 하나 또는 그 이상의 영구절연도선을 가지는 하나의 쓰레드 케이블(threaded cable)로 이루어진, 하나의 권선을 가지는 하나 또는 그 이상의 적층철심을 포함하여 구성된다.

전기기계, 회전기계와 스태틱기계(stactic machines) 모두를 모든 형태의 고압전력네트워크와 직접 연결하는데 따라 발생하는 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 의한 설비내의 적어도 하나의 기계는 위에 설명한 바와 같이 공지기술과 상이한 여러 가지 특징을 가진다. 본 발명의 다른 특징과 실시예는 종속항에 정의되어 있으며, 아래에 설명한다.

본 발명에 의한 설비와 그에 포함된 적어도 하나의 전기기계의 상기 특징과 기타의 본질적인 특징은 아래와 같다;

· 자기회로의 권선은 도선과 피복(sheath) 모두에 하나의 반도체 층을 가지는, 하나 또는 그 이상의 영구절연도선을 가지는 케이블로 만들어진다. 이러한 형태의 몇몇 전형적인 도선들은 PEX(crosslinked polyethylene) 케이블이거나 EP(ethylene propylene) 고무절연 케이블이지만, 이들은 본 발명의 목적을 위해 도선내의 소선(strands) 및 외장(outer sheath)의 성질 모두에 관하여 더 발전되었다.

·원형단면을 가지는 케이블이 바람직하지만, 다른 단면을 가지는 케이블들도, 예를 들어 보다 나은 충전밀도(packing density)를 얻기 위해 사용될 수 있을 것이다.

· 그러한 케이블은 적층철심으로 하여금 본 발명에 따라 슬롯홈과 치형(tooth)에 관해 새롭고 적정한 방법으로 설계될 수 있게 해준다.

· 권선부은 적층철심의 최대 이용을 위해 여러 단계의 절연부를 갖도록 제조되는 것이 바람직하다.

· 권선은 다층구조의(multi-layered) 동심케이블권선으로 함으로써 코일단부 교차점(coil-end intersections)의 수를 줄일 수 있도록 제조하는 것이 바람직하다.

· 슬롯홈들은 축방향으로 그리고/또는 각각 밖으로 방사상으로 뻗어 있고 고정자권선의 층 사이에 형성된 하나의 개방웨이스트(open waist)를 가진 몇 개의 원통형 개구부의 형태를 갖도록, 권선케이블의 단면에 적합하게 설계된다.

· 슬롯홈의 디자인은 해당 케이블 단면과 계단형 권선절연층에 맞추어진다. 계단형 절연층은, 방사상 연장부와는 관계없이, 자기철심이 실질적으로 변함없는 치형폭을 갖도록 해준다.

· 소선에 관하여 상술한 바와 같이 더 이루어진 발전은, 수개의 조밀하게 매입된(impacted) 층을 가지는 권선도선들, 즉 전기기계의 관점에서 반드시 올바르게 번갈아 위치하거나, 절연되지 아니하거나 그리고/또는 절연되거나 하지 않은 절연소선들을 포함한다.

· 외장에 관하여 상술한 바와 같이 이루어진 발전은, 도선의 길이방향의 적당한 곳에서, 외장이 절단되어 각 절단된 부분의 길이가 직접 지전위에 연결된 상태를 수반한다.

상술한 형태의 케이블을 사용함으로써 권선부가 외장이, 전체 길이에 걸쳐, 설비의 다른 부분들과 마찬가지로, 지전위로 유지될 수 있도록 한다. 중요한 이점은 외측의 반도체 층 밖의 코일단부구역내의 전계가 0에 가깝다는 것이다. 외장의 지전위로 인해, 전계는 제어될 필요가 없다. 이것은 코일내에서나, 코일단부구역내에서나 그들 사이의 천이부분(transition)에서 전혀 전계집중(field concentrations)이 일어나지 않을 것임을 의미한다.

절연된 그리고/또는 절연되지 않은 조밀매입소선들 또는 번갈아 위치한 소선들의 혼합으로 인해 낮은 표유손실(stray losses)이 생긴다.

자기회로 권선부내에 사용된 고전압용 케이블은 복수의 소선들을 가지는 하나의 내부철심/도선, 적어도 하나의 반도체 층(semiconducting layer)으로 구성되는데, 가장 내측에 있는 내부철심/도선은 하나의 절연층으로 둘러쌓이고, 그것은 다시 10∼250㎜정도의 외경과 40∼3,000㎟정도의 도선영역(conductor area)을 가지는 반도체 층의 외층에 의해 둘러싸여 있다.

본 발명에 의한 설비의 기계중 적어도 하나가 명시된 방식으로 구성되면, 기관차에 사용된 이 모터(들)의 시동 및 제어는, 도입부에 기재된 문헌에 예를 드는 방법으로 설명되어 공지된 시동방법들에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 의하면, 바람직하게는 3개층 모두, 적어도 2개층이 동일한 열팽창계수를 가진다. 권선부내의 열의 이동(thermal movement)중에 결함, 틈새 및 그와 유사한 것이 회피될 수 있다는 결정적인 이익이 이렇게 얻어진다.

본 발명의 다른 측면에 의해, 특허청구의 범위 제28항의 도입부에 기술된 형태의 시스템에 동 청구항의 특징부에 정의된 특수한 특징들이 부여됨으로써, 본 발명의 목적이 성취되었다.

영구적인 것이 적당한, 절연시스템이 열적, 그리고 전기적 관점에서, 36kV이상에 맞는 치수를 갖도록 설계되어 있으므로, 중간에 강압변압기를 개재시키지 않은 상태로 본 발명의 시스템이 고전압 전력네트워크에 연결될 수 있고, 그에 따라 상술한 이점이 성취된다. 그러한 시스템은, 특허청구범위 제1항∼제27항의 어느 하나에 특허청구된 시스템에 대하여 정의된 특징들을 포함하여 구성되는 것이 필수적이지는 않지만 바람직하다.

상술한 그리고 기타 다른 이점을 가지는 본 발명의 실시예들은 종속항에 정의되어 있다.

Claims (42)

1. 적어도 하나의 권선부를 가지며 배전네트워크와 구동샤프트사이에 배치된, 적어도 하나의 전기기계를 포함하며, 하나의 가공전선과 적어도 하나의 주전동기에 의해 전력이 배전네트워크로부터 차량의 기계구동샤프트로 송전되는 철도기관차 및 대형자동차와 같은 차량을 구동하기 위한 전기구동시스템에 있어서,

   상기 전기기계의 적어도 하나는, 각 층이 본질적으로 등전위표면을 구성하는 적어도 두 개의 반도체 층 및 그들 사이에 있는 고체절연부로 이루어지는 하나의 절연시스템을 포함하는, 하나의 권선부를 갖는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기반도체 층 중의 적어도 하나가 고체절연부와 실질적으로 동일한 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기계 중의 적어도 어느 하나가 자기코어를 구비한 자기회로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 설비내의 상기 적어도 하나의 기계(105, 116)에 있어서의 자기회로의 철심내의 자속통로(flux paths)가 적층박판 및/또는 거친 단조철 및/또는 주물철(cast iron) 및/또는 분말성형철(powder-based iron)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4항 어느 한 항에 있어서, 상기 고체절연부가, 고체절연부로 된 중간절연층(33)을 갖는 적어도 두 개의 반도체 층(32, 34)에 의해 둘러싸인 하나 또는 그 이상의 도선(current-carrying conductors)(31)으로 구성되는, 하나의 고전압용 케이블(6)로 이루어진 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 가장 내측에 있는 반도체 층(32)이 도선(31)과 실질적으로 같은 전위인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
7. 제 5 항 또는 제 6항 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 반도체 층(34)의 하나가 도선(31)을 둘러싸는 본질적인 등전위표면을 형성하도록 배열된 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 외측 반도체 층(34)이 하나의 선택된 전위와 연결되는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 선택된 전위가 지전위인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
10. 제 5 항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 상기 도선(current-carrying conductor)이 다수의 소선으로 구성되고 소수의 소선만은 서로 절연되지 않은 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
11. 제 1 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서, 권선부가 다수의 소선으로 이루어지는 하나 또는 그 이상의 도선(current-carrying conductors)(2)과, 각 도선주위에 배열된 하나의 내측 반도체 층(3)과, 각 내측 반도체 층(3)의 주위에 배열된 고체절연부로 된 하나의 절연층(4)과 그리고 각 절연층(4)주위에 배열되는 하나의 외측 반도체 층(5)을 포함하는 하나의 케이블로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 케이블이 하나의 금속스크린 및 하나의 외장도 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
13. 제 1 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 자기회로가 공기 또는 다른 절연가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
14. 제 3 항에 있어서, 상기 자기회로의 권선부와 시스템유니트사이의 고전압전류(high tension current)용 영구절연연결도선이, 고전압용 고체절연부를 갖는 하나의 케이블(6)을 사용하여 만들어지고, 적어도 두 개의 반도체 층(32,34)과 절연 또는 절연되지 않은 소선(36)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
15. 제 5 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 고전압케이블(6)은 30 내지 3000㎟사이의 도선영역을 가지며, 10 내지 250㎜사이의 외경을 갖는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
16. 제 1 항 내지 제 15 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 반도체 층(34)이 지전위에 연결된 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
17. 제 1 항 내지 제 16 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계의 적어도 하나의 권선부가 자체조정(self-regulating) 전계조절을 하도록 구성되며, 전계를 조절하기 위한 보조수단을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
18. 제 1 항 내지 제 17 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계중 적어도 하나는 배전네트워크와 전력공급선사이에 배열된 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 기계가 배전네트워크의 전압레벨로부터 가공전선의 전압레벨로 강하시키기 위한 변압기인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
20. 제 18 항에 있어서, 상기 기계가, 그 내부의 모터에 배전네트워크의 전압이 공급되는 모터 제너레이터이고, 이 모터 제너레이터가 전력 공급선의 전압레벨에 상응하는 전압을 방출하는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 모터의 회전자 샤프트가 제너레이터 샤프트에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
22. 제 20 항 또는 제 21항의 어느 한 항에 있어서, 상기 제너레이터가 단일위상형태인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 제너레이터의 주파수는 네트워크 주파수(network frequency)의 정수부(integer part), 바람직하게는 16⅔, 20 또는 25Hz인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
24. 제 1 항 내지 제 23 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계의 적어도 어느 하나는 차량에 배치된 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 차량에 배치된 상기 기계의 적어도 어느 하나는 가공전선의 전압을 주전동기의 전압으로 강하시키기 위한 변압기인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
26. 제 24 항에 있어서, 상기 차량에 배치된 상기 기계의 적어도 어느 하나는 적어도 하나의 주전동기인 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 주전동기는 중간에 별도의 전기기계에 연결되지 않고 전력공급선으로부터 전압을 직접 공급받는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
28. 적어도 하나의 권선부를 가지며, 배전네트워크와 구동샤프트사이에 배치된 각 전기기계를 적어도 두 개 포함하며, 가공전선과 적어도 하나의 주전동기에 의해 전력이 배전네트워크로부터 차량의 기계구동샤프트로 송전되는 철도기관차 및 대형자동차와 같은 차량을 구동하기 위한 전기구동시스템에 있어서,

    상기 전기기계의 적어도 하나는, 열적 그리고 전기적인 관점에서 기계의 전압레벨을 36kV이상이 되게 할 수 있는 절연시스템을 포함하는 권선부를 갖는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
29. 제 28항에 있어서, 상기 기계는 제 1 항 내지 제 27 항의 어느 하나의 항에 정의된 특성(features)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량의 전기구동시스템.
30. 적어도 하나의 권선부가 구비된 전기기계를 포함하고, 차량을 전기적으로 작동시키기 위해 배전네트워크와 가공전선사이에서 배치된 전력송전수단에 있어서, 상기 권선부가 적어도 각 층이 본질적으로 등전위표면을 필수로 구성하는 두 개의 반도체 층과, 그것들 사이에 있는 고체 절연부를 포함하는 하나의 절연시스템을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 전력송전수단.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 기계는 배전네트워크의 전압레벨에서 가공전선의 전압레벨로 강하시키기 위한 변압기인 것을 특징으로 하는, 전력송전수단.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 기계는, 그 안에 있는 모터에 배전네트워크의 전압이 공급되는 모터 제너레이터이고, 그 제너레이터가 공급선의 전압에 상응하는 전압을 방출하는 것을 특징으로 하는, 전력송전수단.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 모터제너레이터는 제 22 항 내지 제 24 항의 어느 한 항에 청구된 모터제너레이터를 정의하는 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력송전수단.
34. 제 31 항 및 제 32 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 제 2항 내지 제 17 항의 어느 한 항의 적어도 어느 하나의 기계를 정의하는 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력송전수단.
35. 차량을 전기적으로 구동하기 위해 배전네트워크로부터 가공전선으로의 전력송전과정에 있어서, 상기 전력이 제 30 항 내지 제 34 항에 청구된 하나의 수단에 의해 송전되는 것을 특징으로 하는, 전력송전과정.
36. 가공전선으로부터 차량의 구동샤프트로 전력을 송전하도록 배치되고, 적어도하나의 권선부를 가지며, 전력을 가공전선으로부터 받는 철도기관차 및 대형자동차와 같은 차량의 전기기계에 있어서, 상기 권선부가 각 층이 본질적으로 등전위표면을 갖는 적어도 두 개의 반도체 층과, 그들 사이에 있는 고체 절연부로 이루어지는 하나의 절연시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기기계.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 기계가 가공전선의 전압을 차량내의 주전동기의 전압으로 강하시키기 위한 변압기인 것을 특징으로 하는, 전기기계.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 변압기가 지전위에 냉각되는 것을 특징으로 하는, 전기기계.
39. 제 36 항 또는 제 38 항에 있어서, 상기 변압기의 자기회로가 철심 또는 쉘타입인 것을 특징으로 하는, 전기기계.
40. 제 36 항에 있어서, 상기 기계는 중간변압기 없이 가공전선에 연결된 주전동기인 것을 특징으로 하는, 전기기계.
41. 제 36 항 내지 제 40 항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 제 2 항 내지 제 17항의 어느 한 항에 청구된 적어도 하나의 기계를 정의하는 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기기계.
42. 가공전선으로부터 구동력을 얻는 전기구동차량에 있어서, 상기 차량은 제 36 항 내지 제 41 항의 어느 한 항에 청구된 적어도 하나의 기계를 구비한 것을 특징으로 하는, 전기구동차량.