KR20000031533A

KR20000031533A - 철도차량용 선형유도 전동장치

Info

Publication number: KR20000031533A
Application number: KR1019980047627A
Authority: KR
Inventors: 강도현
Original assignee: 윤문수; 한국전기연구소
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2000-06-05
Also published as: KR100296446B1

Abstract

본 발명은, 철도차량용 선형유도 전동장치에 있어서, 선형유도 전동기를 사용하여 철도선로(線路)상에 이동자계를 직접 형성시켜, 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 제공하는 것으로서, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 차량에 탑재되는 치와 슬롯을 가진 막대형태의 철심; 공급되는 전류에 의해 유기되는 자력과, 철도선로를 이용하여 이동자계가 형성되도록, 상기 철심에 권취되는 코일을 포함하여 구성되는 선형유도 전동기와, 상기 선형유도 전동기에 전원을 인가하는 전원인가수단; 철도차량의 제동 또는 추진동작시, 철도차량의 이동속도 및 방향에 근거하여 상기 인가되는 전원의 주파수를 가변 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되어, 철도차량의 제동력은 물론 추진력을 제공하고, 특히 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생하여 상기 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 한편, 상기 에너지를 회생하여 철도선로 온도가 상승되는 것을 방지함으로써, 보다 신속, 안전한 철도차량 운행이 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

철도차량용 선형유도 전동장치

본 발명은, 철도차량용 선형유도 전동장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 선형유도 전동기를 사용하여 철도선로상에 이동자계를 직접 형성시켜, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력을 제공하며, 또한 철도차량의 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생함으로써, 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화함은 물론, 상기 에너지에 의해 철도선로의 온도가 상승되는 것을 억제하여 보다 신속, 안전한 철도차량의 운행이 이루어지도록 하는 철도차량용 선형유도 전동장치에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량용 제동 및 추진장치는, 운행시간의 단축을 위하여 보다 고출력의 가속력과 감속력이 요구되고 있으나, 이때 필요한 추진력과 제동력은, 철도차량의 추진장치와 제동장치의 용량에 따라 크게 좌우되며, 상기 추진력과 제동력은, 통상적으로 철도차량의 바퀴(Wheel)를 통해 전달된다.

따라서 상기 추진력과 제동력은, 철도차량의 바퀴와 레일(Rail)간의 점착계수에 따라 달라지는 데, 상기 점착계수는 바퀴와 레일의 조건 또는 기상상태에 따라 가변되기 때문에, 상기와 같이 고출력의 추진력 또는 제동력을 바퀴에 인가하면, 슬립(Slip)현상이 발생하여 바퀴 및 레일이 급격히 마모됨은 물론, 정확한 추진 및 제동이 이루어지지 못하여 안정된 철도차량의 운행이 불가능하게 된다.

이에 따라, 상기 철도차량의 바퀴로 동력을 인가하지 않고, 상기 추진력과 제동력을 직접 철도차량에 제공하기 위한 방법이 제안되었다.

그러나, 제안된 종래의 방법인, 고속전철용 선형와전류 제동장치의 경우, 상기 고속전철에 보조 제동력만을 제공할 수 있는 고속전철용 보조 제동장치로서 현재 독일에서 개발 중에 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 추진력과 제동력을 발생시키는 일반적인 전동기의 동작설명과 아울러 상기 고속전철용 선형와전류 제동장치에 대하여 설명한다.

도 1은 일반적인 회전자계를 형성하는 3상 교류 전동기를 도시한 것으로서, 우선, 3상 교류 전동기는, 3상 권선(S1,S2,S3)이 120각도로 취부된 고정자(M)와, 상기 고정자 내측에 일정간격의 공극을 유지한 상태로 삽입되는 이동자(R)를 포함하여 구성되는데, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 상기 고정자(M)에 취부된 3상 권선(S1,S2,S3)에 도 1의 (b)와 같은, 3상 교류(i₁,i₂,i₃)를 공급하면, 회전자계(回轉磁界)가 발생하여 도 1의 (c) 내지 (f)와 같이, 상기 고정자 내측에 삽입된 이동자(R)가 회전력(F)을 얻어 회전하게 되는 것이다.

상기 회전자(R)의 속도는 일반적으로, 회전자계의 회전수에 비례하는데, 상기 회전자계의 회전수(속도)는 권선에 흐르는 전류의 주파수와, 권선의 자극(磁極)수간에 관계식으로 산출되며, 상기 산출식은 다음과 같다.

회전자계의 회전수(속도) = 120 x f / P ----------------- 식 (1)

f : 공급전압의 주파수

P : 자극의 수

따라서, 통상적으로 회전자계의 회전수를 가변하기 위하여 전자적으로 용이하게 가변할 수 있는 공급전압의 주파수(f)를 임의의 값으로 가변하여 적절한 회전자계의 회전수 즉, 회전력을 발생시키고 있다.

한편, 도 2는 종래의 고속전철용 와전류 제동장치의 일부구성도를 도시한 것으로서, 종래의 고속전철용 와전류 제동장치는, 고속전철(미도시) 일측부에 부착된 철심(Iron)(1)과 상기 철심에 취부되어 코일(Coil)이 권취된 권선(捲線)(2)을 포함하여 구성되는 선형와전류 전자석을 사용하는 한편, 도 2에 도시한 레일(Rail)(3)과 전자석의 철심(Iron)(1)으로 자로(磁路)를 형성한다.

따라서, 상기 고속전철용 와전류 제동장치는, 기 설치된 레일(3)을 선형와전류 전자석으로 이용하기 때문에, 별도의 도체 플레이트(Plate)를 필요로 하지 않는다.

그러나, 상기 고속전철용 와전류 제동장치는, 권선을 사용하여 고정자극(磁極) 즉, 고정된 N극, S극에 의해 차량이 이동할 때 레일(Rail)에서 와전류가 생성되어 제동력을 발생시키고, 발생된 상기 와전류에 레일의 온도가 급격히 상승하게된다.

참고로, 상기 와전류에 대하여 간략히 설명하면, 상기 와전류(Eddy Current)는, 도체내에서 자속이 변화함에 따라 발생하는 기전력에 의해 생성되는 소용돌이 모양의 전류로서, 상기 와전류에 의해 발생하는 전류손실을 와전류손(渦電流損)이라고 하며, 상기 와전류손에 의해 상기 도체의 온도가 상승하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 상기 와전류손에 의해 레일(Rail)의 온도가 상승되는 고속전철용 와전류제동장치는, 차량운행에 악영향을 미칠 수 있음은 물론, 상기 와전류손(渦電流損)에 의해 전력소모가 크게 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 바퀴(Wheel)에 전달하지 않고, 상기 철도차량에 직접 제공함은 물론, 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생(回生)함으로써, 차량운행에 악영향을 주는 레일(Rail)의 온도상승을 억제함과 아울러 철도차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 철도차량용 선형유도 전동장치를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 일반적인 회전자계를 형성하는 3상 교류 전동기를 도시한 것이고,

도 2는 종래의 고속전철용 와전류 제동장치의 일부구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 측면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 일부사시도이고,

도 5는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 회로구성도이고,

도 6은 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 동작설명도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 변압기(Transformer) 32 : 컨버터(Converter)

34,36 : 인버터(Inverter) 35 : 견인용 전동기

37 : 선형유도 전동기(Linear Induction Motor)

38 : 마이컴(Micom) 39 : 게이트(Gate)제어기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 차량에 탑재되는 치와 슬롯을 가진 막대형태의 철심; 및 공급되는 전류에 의해 유기되는 자력과, 철도선로를 이용하여 이동자계가 형성되도록, 상기 철심에 권취되는 코일을 포함하여 구성됨을 특징으로 하며, 또한, 본 발명에 따른 또다른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 철도선로에 이동자계를 형성하는 선형유도 전동기에 전원을 인가하는 전원인가수단; 및 철도차량의 제동 또는 추진동작시, 철도차량의 이동속도 및 방향에 근거하여 상기 인가되는 전원의 주파수를 가변 제어하는 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 구성되는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 치와 슬롯을 가진 막대형태(一字)의 철심(Iron)과 상기 철심에 권취된 다수개의 권선(捲線)을 포함하여 구성된 선형유도 전동기를 상기 철도차량의 일측부에 부착하고, 도체인 레일(Rail)을 선형유도 전동기의 2차측으로 이용하여, 상기 막대형태의 철심(Iron)과 레일(Rail)간에 형성되는 자계(磁界)를 임의의 방향 및 속도로 이동시킴으로써, 추진력 및 제동력을 철도차량에 직접 제공하고, 또한 제동동작시, 발생되는 에너지를 상기 선형유도 전동기가 흡수, 전기에너지로 회생시킴으로써, 차량운행에 악영향을 주는 레일(Rail)의 온도상승을 억제할 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 측면도로서, 철도차량의 대차(Bogie)(11)와, 상기 대차(Bogie)의 일측부에 부착된 지지대(12)와, 상기 지지대(supporter)에 부착되는 막대(一字)형태의 선형유도 전동기(LIM: Linear Induction Motor)(13)와, 상기 선형유동전동기의 2차측으로 이용되는 레일(14)과, 상기 레일과 접촉되어 철도차량의 대차에 메인(Main) 추진력 및 제동력을 전달하는 바퀴(15)를 도시하고 있으며, 또한 도 4는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 일부사시도로서, 특히 상기 막대(一字)형태의 선형유도 전동기(LIM)(13)에 코일(Coil)을 권취한 다수개의 권선을 슬롯(Slot)(21)이 형성되어 있음을 도시하고 있다.

상기 선형유도 전동기(13)는, 도 1을 참조로 전술한 바 있는 3상 교류전동기의 원형(圓形)고정자를 막대형태로 펼쳐 놓은 것으로서, 상기 다수의 권선(21)에 교류전압을 인가함에 따라, 약 10mm의 공극을 유지하고 있는 상기 레일(14)과 선형유도 전동기(13)사이에 자계(磁界)를 형성하는 데, 상기 형성되는 자계는, 종래의 3상 교류전동기에서 발생하는 회전자계(回轉磁界)와는 달리, 이동속도 및 방향을 갖는 이동자계(移動磁界)이다.

상기 이동자계의 발생에 대하여 이하 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 5는, 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 회로구성도를 도시한 것으로서, 전철차량의 주 전원(Vcc)인 수십 kV(Kilo Voltage)의 교류전압을 수 kV의 교류전압으로 강하하는 변압기(Transformer)(31)와, 상기 강하된 수 kV의 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 컨버터(Converter)(32)와, 상기 변환된 수 kV의 직류전압을 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환출력하는 제1 인버터(Inverter)(34)와, 상기 변환출력되는 3상 가변주파수의 교류전압에 의해 철도차량을 견인하는 견인전동기(35)와, 상기 컨버터에 의해 변환된 수 kV의 직류전압을 수백 V의 교류전압으로 전압강하하는 동시에 3상 가변주파수의 전압으로 변환출력하는 제2 인버터(36)와, 상기 직류전압을 출력하는 컨버터(32)와 3상 가변주파수의 교류전압을 출력하는 제1, 제2 인버터(34,36)를 연결(Link)하는 직류연결단(33)과, 상기 제2 인버터(36)로부터 변환출력되는 3상 가변주파수의 교류전압에 의해 철도차량의 보조추진 및 제동력을 제공하는 선형유도 전동기(37)와, 상기 철도차량의 주행방향 및 속도에 근거하여 제어신호를 출력하는 마이컴(38)과, 상기 제어신호에 따라 인버터(36)에 구비된 게이트(Gate)의 동작을 제어하는 게이트 제어기(39)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 우선, 철도차량의 주 전원(Vcc) 즉, 60Hz의 주파수를 갖는 수십 kV(Kilo Voltage)의 교류전압이 변압기(Transformer)(31)에 인가되면, 상기 변압기(31)는 인가되는 수십 kV(Kilo Voltage)의 교류전압을 수 kV의 교류전압으로 전압 강하하여 컨버터(Converter)(32)로 출력하고, 상기 컨버터(32)는, 입력되는 수 kV의 교류전압을 정류하여 직류전압으로 변환하고, 직류전압과 교류전압을 링크(Link)하는 콘덴서(Capacitor) 즉, 직류연결단(33)을 통하여, 상기 변환된 수 kV의 직류전압을 제1, 제2 인버터(34,36)에 각각 출력한다.

상기 제1 인버터(34)는, 직류연결단(33)으로부터 입력되는 수 kV의 직류전압을 임의의 주파수와 크기를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환하여, 철도차량을 견인하기 위한 견인전동기(35)에 인가함으로써, 철도차량의 주 제동력 및 추진력이 발생되도록 하며, 또한, 제2 인버터(36)는, 상기 직류연결단(33)으로부터 입력되는 직류전압을 선형유도 전동기(37)의 구동전원으로 공급하기 위하여 임의의 주파수를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환하여, 선형유도 전동기(37)에 인가함으로써, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력이 발생되도록 한다.

한편, 마이컴(38)은, 상기 철도차량의 주행 또는 정지상태에 따라 제2 인버터의 변환동작을 제어하는 데, 상기 마이컴(38)의 제어동작 및 그에 따른 철도차량의 보조 제동력 및 추진력 발생과정에 대하여 첨부된 도 6을 참조로 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치의 동작 설명도로서, 철도차량의 보조 제동력 및 추진력 발생과정을 설명하기 위하여 선형유도 전동기(37)와 레일(14)을 도시하고 있다.

우선, 도 6의 (a)는 상기 선형유도 전동기(37)에 의해 보조 추진력이 발생되는 과정을 도시한 것으로, 철도차량(미도시)이 90m/s의 속도(Vt)로 우측에서 좌측방향으로 주행하는 경우, 상기 레일(Rail)(14)의 이동방향은, 철도차량의 역 주행방향이 되는 한편, 상기 레일(14)의 이동속도(Vr)는, 상기 철도차량의 주행속도와 동일한 90m/s가 되는데, 이때 보조 추진력을 발생시키기 위해서는, 선형유도 전동기(37)에 의해 발생하는 이동자계(移動磁界)를 상기 레일의 이동속도(Vr)보다 빠른 속도, 예로 100m/s의 이동속도(Vl > Vr)로 상기 레일의 이동방향과 동일한 방향으로 이동시켜야 한다.

상기 이동자계의 속도(Vl)는, 인가되는 3상 교류전압의 주파수와 자성체의 자극(磁極)간격에 관계되는 것으로, 산출식은 다음과 같다.

Vl = 2τf ----------------------------------------------- 식(2)

Vl : 이동자계의 속도

τ : 자극(磁極)의 간격

f : 교류전압의 주파수

따라서, 상기 마이컴(38)은, 철도차량에 보조 추진력을 제공하기 위하여 상기 철도차량의 주행속도(Vt) 및 방향을 검출하고, 상기 검출결과에 따라 선형유도 전동기(37)에 인가되는 3상 가변주파수의 교류전압을 변환하기 위하여 제어신호를 상기 게이트 제어기(39)로 출력하고, 이에 따라 상기 게이트 제어기(39)는 제2 인버터(36)에 게이팅 동작을 제어하는 데, 상기 제2 인버터(36)는, 직류연결단(33)으로부터 출력되는 수 kv의 직류전압을 입력받아 수백 V의 교류전압으로 전압강하하는 한편, 상기 전압강하된 수백 V의 교류전압을 상기 게이트 제어기(39)의 제어에 따라 가변적으로 게이트를 스위칭 즉, 게이팅하여 출력함으로써, 임의의 주파수(f) 및 크기를 갖는 3상 가변주파수의 교류전압을 상기 선형유도 전동기(37)에 인가한다.

한편, 고정자로서 동작하는 선형유도 전동기(37)의 이동자계의 속도(Vl)와, 이동자로서 동작하는 레일(14)의 이동속도(Vr)간의 속도 차(Vl-Vr/Vl)에 의해 발생되는 추진력 및 제동력 즉, 슬립(Slip)값의 산출식은 다음과 같다.

S = ( Vl - Vr ) / Vl ------------------------------------- 식(3)

S : 슬립(Slip)

Vl : 자계(磁界) 이동속도

Vr : 이동자의 이동속도

따라서, 도 6의 (a)인 경우, 슬립값(S=(100-90)/100)이 +0.1 이 되어, 상기 철도차량에 보조 추진력이 제공되는 것이다.

한편, 도 6의 (b)에서는 상기 선형유도 전동기(37)가 전동기가 아닌 발전기(發電機)로 사용되는 경우를 도시한 것으로, 상기 철도차량(미도시)이 110m/s 의 속도(Vt)로 우측에서 좌측방향으로 주행하는 경우 , 상기 레일(Rail)(14)의 이동방향은, 철도차량의 역 주행방향이 되고, 상기 레일(14)의 이동속도(Vr)는 상기 철도차량의 주행속도와 동일한 110m/s가 되는 한편, 상기 선형유도 전동기(37)에 의해 발생하는 이동자계(移動磁界)가 상기 레일의 이동속도(Vr)보다 느린 속도, 예로 100m/s의 이동속도(Vl < Vr)로 이동하는 경우, 상기 식(3)에 의해 산출되는 슬립값(S=(100-110)/100)은 -0.1이 된다. 이때, 상기 선형유도 전동기(37)는, 전동기로의 기능을 상실하는 대신 제동력을 발생시키면서 발전기로 동작되는 데, 이때 발생되는 에너지는 제2 인버터(36)에 의해 직류전압으로 회생된 후, 상기 직류연결단(33)을 거쳐 컨버터(32)로 출력된다.

상기 컨버터(32)는, 입력되는 직류전압을 교류전압으로 변환함과 아울러 철도차량의 주 전원(Vcc)에 상응하는 특정주파수 즉, 60Hz의 교류전압으로 변환, 출력함으로써, 상기 이동속도차(Vl < Vr)에 의해 발생되는 에너지를 철도차량 운행 에 필요한 전력으로 회생(回生)되는 것이다. 한편, 선형유도 전동기(37)가 발전기로 동작되는 동안, 철도차량에 보조 제동력이 제공되는 효과가 발생한다.

이와 같이, 철도차량의 주행방향과 주행속도에 따라 상기 선형유도 전동기(37)에 인가되는 3상 가변주파수의 교류전압을 가변 제어함으로써, 상기 철도차량의 보조 추진력 및 제동력을 발생시킬 수 있음은 물론, 속도 차(Vl < Vr)로 인해 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생(回生)할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 철도차량용 선형유도 전동장치는, 철도차량의 제동력은 물론 추진력을 제공하고, 특히 제동동작시, 발생되는 에너지를 전기에너지로 회생하여 전철차량 운행에 소비되는 전력을 최소화하는 한편, 와전류 전자석에 의해 제동시, 철도선로의 온도가 상승됨을 방지하여 안전한 철도차량 운행이 이루어지도록 하는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

차량에 탑재되는 막대형태의 철심; 및

공급되는 전류에 의해 유기되는 자력과, 철도선로를 이용하여 이동자계가 형성되도록, 상기 철심에 권취되는 코일를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선형 유도 전동장치.
제 1항에 있어서,

상기 철심은, 직선성을 갖는 막대형태로, 상기 코일이 권취되는 다수의 슬롯(Slot)이 구비됨을 특징으로 하는 선형유도 전동장치.
제 1항에 있어서,

철도차량의 대차(Bogie) 일측면에 부착되어, 상기 철심을 지지하는 지지수단을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선형유도 전동장치.
철도선로에 이동자계를 형성하는 선형유도 전동기에 전원을 인가하는 전원인가수단; 및

철도차량의 제동 또는 추진동작시, 철도차량의 이동속도 및 방향에 근거하여 상기 인가되는 전원의 주파수를 가변제어하는 제어수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선형유도 전동장치.
제 4항에 있어서,

상기 전원인가수단은, 입력되는 직류전압을 3상 가변주파수의 교류전압으로 변환 출력하는 인버터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선형유도 전동장치.