KR20220153576A - 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체, 전자 기계 조립체의 제어 시스템, 전자 기계 조립체 및 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템 - Google Patents

철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체, 전자 기계 조립체의 제어 시스템, 전자 기계 조립체 및 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템 Download PDF

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Abstract

철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체(100)가 개시되며, 전자 기계 조립체(100)는 운동 에너지를 축적하도록 배열된 플라이휠(101)을 포함하고; 플라이휠에 축적된 운동 에너지는 제동 시스템이 적어도 하나의 비상 또는 서비스 또는 주차 제동 액션을 수행하도록 전자 기계 조립체를 동작시키기에 충분한 것을 특징으로 한다. 또한, 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템 및 철도 차량용 제동 시스템(200)이 개시된다.

Description

철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체, 전자 기계 조립체의 제어 시스템, 전자 기계 조립체 및 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템
본 발명은 일반적으로 철도 제동 시스템 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 철도 차량의 제동 시스템용 전자 기계 조립체, 전자 기계 조립체의 제어 시스템 및 전자 기계 조립체와 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템에 관한 것이다.
철도 운송 시스템에서, 알려진 제동 시스템은 제동력을 생성하기 위해 브레이크 실린더에 적절하게 주입된 압축 공기를 사용한다. 압축 공기는 하나 이상의 압축기에 의해 생성된다.
압축 공기를 생성하기 위한 기술은 몇 가지 단점이 있는 것으로 알려져 있다:
- 압축기의 전체 효율은 50%보다 훨씬 낮아서 극도로 낮고, 회수할 수 없는 에너지의 막대한 소비를 나타낸다;
- 압축기는 승객이 점유하는 환경과 외부 환경 모두에 대한 노이즈의 소스이며, 상당한 방음 조치를 필요로 한다;
- 압축기는 차체에 전달되는 진동의 소스이며, 승객이 점유하는 환경에서 더 많은 진동과 노이즈를 야기한다;
- 압축기, 지지 프레임 및 수동 노이즈 감소용 방음 인클로저가 수백 킬로그램에 달하는 거대한 질량을 나타내므로, 철도 차량을 가속하는 데 필요한 에너지를 계산할 때 추가적인 에너지 비효율을 구성한다.
- 압축기는 비교적 빈번하고, 방해가 되며, 무엇보다 비용이 많이 드는 유지 보수 사이클을 갖는다.
압축 공기 제동 시스템은 압축 공기로부터 습기를 제거하기 위해 건조기의 사용을 추가로 필요로 하며, 이는 빈번하고 방해가 되며 비용이 많이 드는 유지 보수 사이클을 특징으로 한다. 또한, 압축 공기 제동 시스템은 압축 공기를 저장하기 위한 저장소와 압축 공기를 분배하기 위한 파이프를 필요로 한다. 탱크와 파이프 모두 추가 비용, 부피 및 중량을 나타낸다.
바람직한 알려진 대안적인 해결책은 현재 압축 공기 액추에이터를 대체하기 위한 전자 기계 제동 액추에이터의 사용에 의해 나타내어진다.
전자 기계 제동 액추에이터는 일반적으로 하나 이상의 모터가 이하의 2개의 주요 기능을 수행하는 기계적 요소 및 상기 액추에이터에 통합된 하나 이상의 전기 모터를 갖는다:
- 제동력 인가 및 해제;
- 전기 에너지 손실의 경우 또는 비상 제동에 대한 요청의 경우 적어도 하나의 자동 제동을 적용하기에 충분한 양의 에너지를 스프링에 로드하는 것으로, 이는 하나 이상의 모터의 전자 제어가 충분히 안전한 것으로 간주되지 않으므로 필요하다.
예를 들어, 특허 EP0334434호 "바람직하게는 철도 차량용 전자-기계 제동 유닛"은 2개의 전기 모터, 나선형 스프링을 영구적으로 로딩되게 유지하는 데 사용되는 제1 전기 충전 모터, 스프링에 저장된 에너지의 일부를 추출하고 제동을 수행하기 위해 이를 전자 기계 조립체의 레버로 전달되는 힘으로 변환할 수 있는 기구에 대해 작용하는 제2 전기 제어 모터를 사용하는 전자 기계 조립체를 설명한다. 상기 기구는 전기 제어 모터에 전기가 없을 때 상기 기구가 나선형 스프링에 저장된 에너지를 자동으로 추출하여 이를 제동으로 변환하는 방식으로 구성된다.
두 번째 예는 문서 EP3271602호 "제동 액추에이터"이며, 여기서 설명된 액추에이터는 연관된 내부 기구의 구성에 따라 대안적으로 스프링을 로딩할 수 있는 단일 전기 모터를 사용하며, 여기서 비상 제동 요청의 경우 또는 갑작스러운 전원 고장의 경우의 적어도 하나의 비상 제동을 적용하는 데 필요한 에너지가 저장된다.
철도 차량용 전자 기계 제동 시스템과 관련된 다른 알려진 문서는 갑작스러운 전원 고장의 경우 적어도 하나의 비상 제동에 필요한 에너지를 저장하기 위해 스프링을 사용하는 것에 기초한 시스템을 개시한다.
스프링 사용에 기초한 시스템의 단점은 스프링에 의해 가해지는 힘을 조절할 수 없다는 점이다. 실제로, 스프링의 작동이 요청될 때, 이는 모든 누적된 힘을 공급한다. 이는 스프링이 작동될 때 철도 차량을 제동하는 데 사용되는 스프링에 의해 제공되는 힘으로 인해 급가속을 받을 수 있기 때문에 승객의 안전에 위험을 초래한다.
또한, 스프링의 작용은 철도 차량의 실제 중량의 함수로 조정되지 않을 수 있는데, 이는 이러한 중량이 예를 들어, 승객 수에 따라 가변적이기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 알려진 시스템보다 덜 급작스럽고 더 안전한, 필요할 경우에 사용할 수 있는 에너지 저장 시스템을 갖는 철도 차량 제동용 전자 기계 조립체를 제공하는 것이다.
상술한 목적 및 이점과 다른 목적 및 이점은 본 발명의 양태에 따라, 청구항 1에 정의된 특징을 갖는 철도 차량의 제동을 위한 전자 기계 조립체, 청구항 9에 정의된 특징을 갖는 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템 및 청구항 18에 정의된 제동 시스템에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 정의되며, 그 내용은 본 설명의 일체적인 부분으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 철도 차량의 제동을 위한 전자 기계 조립체, 이러한 전자 기계 조립체의 제어 시스템 및 상기 전자 기계 조립체 및 상기 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템의 일부 바람직한 실시예의 기능적 및 구조적 특징이 이하 설명될 것이다. 첨부 도면을 참조하며, 여기서:
- 도 1은 본 발명에 따른 철도 차량 제동을 위한 전자 기계 조립체의 일 실시예를 도시한다.
- 도 2는 철도 차량의 제동 시스템의 제1 예에서 도 1의 전자 기계 조립체의 적용을 도시한다.
- 도 3은 철도 차량의 제동 시스템의 제2 예에서 도 1의 전자 기계 조립체의 적용을 도시한다.
- 도 4a는 철도 차량의 제동 시스템의 제3 예에서 도 1의 전자 기계 조립체의 적용을 도시한다.
- 도 4b는 철도 차량의 제동 시스템의 제4 예에서 도 1의 전자 기계 조립체의 적용을 도시한다.
- 도 5는 전자 기계 조립체의 선형 액추에이터의 단부가 그 사이의 거리가 변함에 따라 가해야 하는 힘의 경향을 도시하는 그래프이다.
- 도 6은 본 발명에 따른 철도 차량을 제동하기 위한 전자 기계 조립체의 추가 실시예를 도시한다.
- 도 7은 본 발명에 따른 철도 차량을 제동하기 위한 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템을 도시한다.
- 도 8은 본 발명에 따른 철도 차량 제동을 위한 전자 기계 조립체의 다른 추가 실시예를 도시한다.
본 발명의 복수의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 다음의 설명에 제시되거나 도면에 도시된 구성 요소의 구성 상세 사항 및 구성에 대한 적용에 제한되지 않는다는 것이 명백해야 한다. 본 발명은 다른 실시예를 가정할 수 있고 실제로 다른 방식으로 구현 또는 구성될 수 있다. 또한 어구 및 용어는 설명적인 목적을 가지며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점을 이해해야 한다. "포함하다(include)" 및 "포함하다(comprise)" 및 그 변형의 사용은 아래에 제시되는 요소 및 그 등가물뿐만 아니라 추가의 요소 및 그 등가물을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 실시예에서, 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체(100)는 운동 에너지를 축적하도록 배열된 플라이휠(flywheel)(101)을 포함한다. 플라이휠에 저장된 운동 에너지는 제동 시스템이 적어도 하나의 비상 또는 서비스 또는 주차 제동 액션을 수행하도록 전자 기계 조립체를 작동시키기에 충분하다. 이제 도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 전자 기계 조립체(100)는 제1 전기 모터(107), 상기 제1 전기 모터(107)에 회전 가능하게 연결된 1차 트랜스미션 샤프트(103), 2차 트랜스미션 샤프트(109), 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111) 및 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링하도록 배열된 제1 결합 수단(108)을 추가로 포함할 수 있다. 잠금 수단(111)은 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 정지시키도록 배열된다.
전자 기계 조립체(100)는 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105)가 제1 거리(dis1)에 있는 제1 퇴피(retracted) 위치로부터 선형 액추에이터(131)의 상기 단부가 제1 거리(dis1)보다 큰 제2 거리(dis2)에 있는 제2 연장 위치로 연장될 수 있는 선형 액추에이터(131)를 추가로 포함할 수 있다. 선형 액추에이터(131)는 상기 제동 시스템을 작동시키도록 배열된다.
또한 추가적으로, 전자 기계 조립체(100)는 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전 운동을 선형 액추에이터(131)의 선형 운동으로 변환하도록 구성된, 2차 트랜스미션 샤프트(109)와 선형 액추에이터 사이에 개재된 트랜스미션 기구(133)를 포함할 수 있다.
이러한 실시예에서, 플라이휠(101)은 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 연결되거나 회전 가능하게 연결될 수 있다.
플라이휠은 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 통해 적어도 하나의 제1 전기 모터(107)에 의해 적절한 속도로 되고 유지될 수 있다. 바람직하게는, 속도는 플라이휠의 관성 모멘트 I와 관련하여, 공식 E=1/2·I·ω2에 따라 적어도 한 번의 제동을 적용하는 데 필요한 에너지가 저장될 수 있게 해야 하는 것이다. 선형 액추에이터(131)는 예를 들어, 제어 유닛(720)에 의해 생성된 하나 이상의 전기 명령에 의해 제어되고, 상기 전기 명령에 기초하여, 플라이휠(101)에 의해 축적된 에너지를 추출하여 그 단부(104, 105) 사이의 길이 L을 수정할 수 있다. 단부(104, 105)는 예를 들어, 축(106) 상에서 수평으로 슬라이딩할 수 있다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 1차 트랜스미션 샤프트(103)는 플라이휠(101)에 직접 회전 가능하게 연결될 수 있다.
그러나, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 1차 트랜스미션 샤프트(103)는 제2 결합 수단(114)에 의해 플라이휠(101)에 회전 가능하게 연결될 수 있다.
임의의 경우에, 제1 결합 수단(108)은 전자 기계 또는 전자기 클러치(clutch)일 수 있다. 존재하는 경우, 또한 제2 결합 수단(114)은 전자 기계 또는 전자기 클러치일 수 있다.
도 6 및 도 8에 도시된 잠금 수단(111)은 전자 기계 또는 전자기 브레이크일 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에서, 1차 트랜스미션 샤프트(103)는 제2 결합 수단(114)에 의해 플라이휠(101)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 전기 모터(107)는:
- 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 제1 방향(d1)으로 회전시키고, 제1 방향(d1)으로의 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 증가시키고;
- 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 상기 제1 방향(d1)과 반대인 제2 방향(d2)으로 회전시키고, 제2 방향(d2)으로의 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 감소시키도록 배열된다.
제1 전기 모터(107)가 제2 방향(d2)으로 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시킴에 따라, 제2 결합 수단(114)은 플라이휠(101)로부터 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 연결 해제한다. 이러한 방식으로, 플라이휠(101)에 축적된 운동 에너지는 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전에 의해 방출되지 않을 것이다.
제2 결합 수단(114)이 필요하지 않은 도 6에 도시된 추가 실시예에서, 제1 전기 모터(107)는 제1 방향(d1)으로 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키도록 배열되고, 제1 방향으로의 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 선형 액추에이터의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리를 증가시킨다. 그러나, 이러한 실시예에서, 전자 기계 조립체(100)는 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 제2 전기 모터(112)를 포함한다. 제2 전기 모터(112)는 제1 방향(d1)과 반대인 제2 방향(d2)으로 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전시키도록 배열된다. 따라서, 제2 방향으로의 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전은 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리를 감소시킨다.
이러한 실시예에서, 사용 시, 제1 전기 모터(107)는 플라이휠(101)에 운동 에너지를 지속적으로 축적하기 위해 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키도록 계속해서 전력을 공급받을 수 있다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 전자 기계 조립체(100)는 선형 액추에이터(131)에 의해 인가된 힘을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 힘 센서 수단(134)을 포함할 수 있다. 힘 센서 수단(134)은 예를 들어, 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105) 중 하나에 커플링될 수 있다. 힘 센서 수단(134)은 예를 들어, 로드 셀(load cell) 유형의 센서, 또는 스트레인 게이지(strain gauge) 유형의 센서일 수 있다.
이제 도 7을 참조하면, 본 발명은 추가적으로 이전에 설명된 임의의 실시예에 따른 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체(100)에 대한 제어 시스템에 관한 것이다.
이러한 제어 시스템은 적어도 제1 전기 모터(107), 제1 결합 수단(108) 및 잠금 수단(111)의 동작을 제어하도록 배열된 제어 유닛(720)을 포함한다.
제어 시스템은 전력 공급원(702)에 대한 입력에 연결되고 출력에서 안정화된 전압을 공급하도록 배열된 전원 수단(701), 제1 전기 모터에 연결되고 전원 수단(701)의 출력에 존재하는 안정화된 전압의 변환에 대해 상기 제1 전기 모터에 에너지를 공급하도록 구성된 제1 전력 변환기 수단(706)을 추가로 포함한다.
제1 전력 변환기 수단(706)은 플라이휠에 의해 회전될 때 상기 적어도 제1 전기 모터(107)에 의해 생성된 가변 전압을 변환하여 안정화된 전압을 제공하도록 추가로 구성된다.
또한, 제어 시스템은 전원 수단(701)의 출력에 존재하는 안정화된 전압으로부터 시작하여 또는 제1 전력 변환기 수단(706)에 의해 제공되는 안정화된 전압으로부터 시작하여 적어도 상기 제어 유닛(720)에 에너지를 공급하도록 구성된 상기 하나의 제어 유닛(720)의 전원을 제어하기 위한 수단(708)을 추가로 포함한다.
전자 기계 조립체(100)가 제1 전기 모터(107)뿐만 아니라 제2 전기 모터(112)를 포함하는 일 실시예에 따라 제조될 때, 제어 시스템은 제2 전기 모터(112)에 연결된 제2 전력 변환기 수단(707)을 포함할 수 있다. 제2 전력 변환기 수단(707)은 출력에 존재하는 안정화된 전압을 전원 수단(701)으로 변환함으로써 제2 전기 모터(112)에 에너지를 공급하도록 구성된다. 제2 전력 변환기 수단(707)은 플라이휠(101)에 의해 회전될 때 제2 전기 모터(112)에 의해 생성된 가변 전압의 변환에 의해 안정화된 전압을 공급하도록 추가로 구성된다.
상기 하나의 제어 유닛(720)의 전원의 제어 수단(708)은 상기 전원 수단(701)의 출력에 존재하는 안정화된 전압으로부터 또는 제1 전력 변환기 수단(706)에 의해 공급된 안정화된 전압으로부터 또는 제2 전력 변환기 수단(707)에 의해 공급된 안정화된 전압으로부터 적어도 상기 제어 유닛(720)에 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다.
2개의 전기 모터가 제공된 도 6에 언급된 실시예를 참조하면, 제어 유닛(720)은 제동력 요청 신호(712)를 수신하도록 배열될 수 있다. 제동력 요청 신호(712)가 선형 액추에이터의 양쪽 단부로 힘 증가 요청을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은:
- 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111)을 비활성화하는 단계;
- 제1 결합 수단(108)을 통해 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열된다.
이러한 방식으로, 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 적어도 플라이휠(101)에 의해 축적된 운동 에너지에 의해 생성될 수 있다. 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달될 수 있으며, 이에 의해 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 변화시키고 선형 액추에이터(131)의 단부에서의 힘을 감소시킨다.
2개의 전기 모터가 제공되는 도 6을 참조한 실시예를 또한 참조하면, 제동력 요청 신호(712)가 선형 액추에이터의 2개의 단부에 대한 힘 감소 요청을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은:
- 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
- 제1 결합 수단(108)을 통해 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
- 샤프트의 상기 제1 회전 방향과 반대인 샤프트의 제2 회전 방향으로 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전시키도록 제2 전기 모터(112)를 작동시키도록 배열될 수 있다.
따라서, 2차 트랜스미션 샤프트로의 회전은 제2 전기 모터(112)에 의해 생성될 수 있으며, 이에 의해 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 수정하고 선형 액추에이터(131)의 단부에서의 힘을 감소시킨다.
2개의 전기 모터가 제공되는 도 6에서 참조된 실시예를 여전히 참조하면, 제어 유닛(720)이 전원(702)으로부터 전원 이상(anomaly)을 검출할 때, 플라이휠에 의해 축적된 운동 에너지에 의해 생성된 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전이 제1 전기 모터(107)로 전달될 수 있다. 플라이휠에 의해 전달된 운동 에너지는 제어 시스템에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있고, 변환된 전기 에너지는 제어 시스템의 제어 유닛(720)에 전력을 공급하기 위해 제어 시스템에 의해 사용된다.
단지 하나의 전기 모터가 있는 도 8에서 참조된 실시예를 참조하면, 제어 유닛(720)은 제동력 요청 신호(712)를 수신하도록 다시 배열될 수 있다.
제동력 요청 신호(712)가 선형 액추에이터의 양쪽 단부에 대한 힘 증가 요청을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은:
- 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
- 제1 결합 수단(108)을 통해 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하고;
- 제2 결합 수단(114)을 통해 플라이휠(101)을 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열될 수 있다.
이러한 방식으로, 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전이 적어도 플라이휠(101)에 의해 축적된 운동 에너지에 의해 생성될 수 있다. 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달될 수 있으며, 이에 의해 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 변화시키고 선형 액추에이터(131)의 단부에서의 힘을 감소시킨다.
단지 하나의 전기 모터가 제공되는 도 8에서 참조되는 실시예를 여전히 참조하면, 선형 액추에이터의 2개의 단부에서 힘의 감소가 요구될 때, 제어 유닛(720)은:
- 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
- 제1 결합 수단(108)을 통해 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링하고;
- 제2 결합 수단(114)에 의해 플라이휠(101)로부터 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
- 샤프트의 상기 제1 회전 방향과 반대인 샤프트의 제2 회전 방향으로 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키도록 제1 전기 모터(107)를 작동시키도록 배열될 수 있다.
제1 전기 모터(107)에 의해 생성된 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전은 선형 액추에이터(131)의 단부에서 힘을 감소시키기 위해 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리를 변경시킬 수 있다.
단지 하나의 전기 모터가 제공되는 도 8에 참조된 실시예를 다시 참조하면, 제어 유닛(720)이 전력 공급원(702)에서 전력 고장을 검출할 때, 제어 유닛(720)은:
- 제1 결합 수단(108)을 통해 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
- 제2 결합 수단(114)을 통해 플라이휠(101)을 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열될 수 있다.
플라이휠에 의해 축적된 운동 에너지에 의해 생성된 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 그 후 제1 전기 모터(107)로 전달될 수 있다. 따라서, 플라이휠에 의해 전달된 운동 에너지는 제어 시스템에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. 변환된 전기 에너지는 그 후 제어 시스템의 제어 유닛에 전력을 공급하기 위해 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다.
도 6의 실시예와 도 8의 실시예 모두를 참조하면, 제동력 요청 신호(712)가 선형 액추에이터의 2개의 단부에 대한 힘 유지 요청을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은:
- 제1 결합 수단(108)을 연결 해제함으로써, 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
- 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 정지하고 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부 사이의 거리를 일정하게 유지하고 선형 액추에이터(131)의 단부에서의 힘을 일정하게 유지하기 위해 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 잠금 수단(111)을 작동시키도록 배열될 수 있다.
이제 도 2, 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명은 또한 철도 차량용 제동 시스템(200)에 관한 것으로, 제동 시스템(200)은 상술한 임의의 실시예에 따른 철도 차량을 제동하기 위한 전자 기계 조립체(100), 상술한 임의의 실시예에 따른 제어 시스템, 및 철도 차량의 적어도 하나의 휠에 직접 또는 간접적으로 제동력을 인가하도록 배열된 제동 수단(204, 205)을 포함한다. 제동력의 인가는 선형 액추에이터의 운동에 의해 제어된다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제동 시스템(200)은 선형 액추에이터(131)와 제동 수단 사이에 개재된 레버(lever) 시스템(203)을 포함할 수 있다. 레버 시스템(203)은 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부에 연결되어, 선형 액추에이터의 2개의 단부 사이의 거리의 함수로서 철도 차량의 휠 인가될 수 있는 제동력을 제어할 수 있다.
통합의 제1 예에 따르면, 도 2에서, 전자 기계 조립체(100)는 선형 액추에이터의 단부(104, 105)를 방향(210)으로 확장함으로써 예를 들어, 브레이크 디스크(206)를 향해 브레이크 디스크(206)에 제동력을 가하는 패드 홀더와 관련 브레이크 패드(204, 205)를 포함하는 제동 수단을 푸시(push)하는 레버(201, 202, 203)의 고전적인 시스템 내부에 삽입된다.
도 2를 참조하면, 제동 수단에 의해 인가되는 제동력은 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 감소함에 따라 증가할 수 있고 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 증가함에 따라 감소할 수 있다.
통합의 제2 예에 따르면, 도 3에서 전자 기계 조립체(100)는 브레이크 캘리퍼(caliper) 내부에 삽입되며, 여기서 방향(310)으로 이동하는 단부(104, 105)는 패드 홀더 및 관련 브레이크 패드(204, 205)에 직접 작용하며, 이들이 브레이크 디스크(206)에 제동력을 가하게 한다. 도 3을 관찰하면, 제동 수단에 의해 인가되는 제동력은 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 감소함에 따라 감소할 수 있고 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 증가함에 따라 증가할 수 있다.
통합의 제3 예에 따르면, 도 4에서, 전자 기계 조립체(100)는 방향(210)으로 선형 액추에이터의 단부(104, 105)의 확장에 의해 슈 홀더(shoe holder) 및 관련 브레이크 슈(403)를 푸시하여 휠(404)에 제동력을 가하는 TBU(tread brake unit)로 알려진 제동 시스템의 기구를 구성하는 레버(401, 402)의 고전적인 시스템에 삽입된다.
전자 기계 조립체, 상기 전자 기계 조립체의 제어 시스템 및 전자 기계 조립체 및 그 제어 시스템을 포함하는 제동 시스템의 사용의 추가 설명 및 실제 예가 이하 보고된다.
도 5는 예를 들어, 도 2에 도시된 구성의 예를 참조하여 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)가 이들 사이의 거리 L이 변함에 따라 가해야 하는 제동력의 경향을 도시한다. 거리 L은 전자 기계 조립체(100)의 휴지(rest) 상태에 대응하는 초기값 L0을 갖는다. 이러한 상태에서, 브레이크 패드(204, 205)는 각각 브레이크 디스크(206)로부터 거리 A/2에 위치된다. 브레이크 패드(204, 205)를 브레이크 디스크(206)에 더 가까이 가져오거나 거리 A를 L0과 L1 사이에서 이동시키기 위해, 최소 힘 F1은 휴지 상태에서 브레이크 패드(204, 205)를 브레이크 디스크(206)로부터 멀리 유지하기에 적절한 스프링의 힘을 극복할 필요가 있다.
후속하여, 선형 액추에이터의 단부(104, 105)에 인가되는 힘의 증가는 힘 Fmax에 대응하는 L=L2의 최대값까지 탄성에 의해 레버(201, 203)의 굴곡 S를 가능하게 한다.
공압 제동 액추에이터의 예시적인, 비배타적 값, 특성은 A=3 mm, S=4 mm, F1=1 KN, FMAX=80 KN이다. 최대 힘 Fmax의 인가 시간은 1초의 최소 시간을 가질 수 있다.
위에서 보고된 특성 값을 갖는 전자 기계 조립체(100)를 만들기 위해 전기 모터가 힘 F(L)를 인가하는 데 사용되는 경우, 상기 모터는 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)에 직접 또는 감속기를 통해 L2 한계 부근에서 1초 동안 4 mm의 속도로 80 KN의 피크 힘을 공급해야 한다.
전력 P[W]=F[N]*V[m/s]이며, 상기 모터는 102에서 기구의 모든 마찰 및 비효율성을 제외하고 피크 힘 Fmax에서 사용 가능한 전력 Pmax = 80 KN·0.004 m/1S = 320 W를 가져야 한다.
이러한 전력을 갖는 브러시리스(brushless) 모터의 크기는 이러한 어플리케이션에 적합하지 않게 하는 것이다.
상술한 특징을 갖는 본 발명에 따른 전자 기계 조립체가 제동 사이클을 적용하는 데 필요한 에너지는 정점 L1, L2, Fmax를 갖는 삼각형의 면적, 즉, E[J] = 0.004 m * 80000 N/2 = 160 J에 대응한다.
값 160 J는 예를 들어, 2초의 시간 동안 80 W를 전달할 수 있는 모터에 의해 제공될 수 있다.
도 1을 참조하면, 순전히 예로서, 80 W 및 6000 RPM의 산업 유형의 전기 모터(107)와 반경 50 mm 및 높이 50 mm, 즉, 관성 I = 4.3E-3 kg·m2를 갖는 황동 플라이휠(101)(밀도 8.73)을 채용하여, 약 850 J이 저장될 수 있으며 이는 제동을 적용하는 데 필요한 에너지의 5배이다.
저장된 에너지의 여유를 크게 유지하면 몇 가지 이점이 있다.
제1 이점은 제1 제동 동안 제1 전기 모터(107)의 예상하지 못한 고장의 경우에, 적어도 제2 제동을 위해 이용 가능한 충분한 에너지가 남아 있다는 점으로 표현된다. 따라서, 모든 차량 제동 유닛에 대한 동시 전력 고장의 경우, 후술하는 전략을 채용하여, 차량을 안전하게 정지시킬 수 있는 비상 제동을 적용할 가능성이 어느 정도 있다.
제2 이점은 차량의 모든 제동 유닛에 대한 동시 전력 고장의 경우, 제1 전기 모터(107)가 플라이휠(101)에 축적된 운동 에너지의 일부를 도면에 도시되지 않은 마이크로프로세서 제어 시스템으로 반환될 전기 에너지로 변환하는 발전기로서 사용될 수 있다는 점으로 표현되며, 그 소비는 일반적으로 10 와트 또는 10 J/s를 초과하지 않으며, 상기 전기 에너지는 마이크로프로세서 제어 시스템이 비상 제동을 완료하는 데 필요하다.
제3 이점은 제동 적용에 후속하여 제1 전기 모터(107)가 그 사이에 전력을 잃으면 회전 속도가 10%만 감소하므로 10%만큼 감소된 적용 시간을 갖는 후속 비상 제동이 발생할 것이라는 점으로 표현되며, 이는 일반적으로 수용할 수 있다.
예를 들어, 6000 RPM에서 80 W를 전달할 수 있는 산업용 모터의 크기는 극도로 작고 상술한 플라이휠의 크기와 연관하여 어떠한 경우에도 직접 적용에 필요한 320 W 모터의 크기보다 훨씬 더 작다.
분명히, 플라이휠(101)의 가속 시간이 길어지면, 제1 전기 모터(107)의 전력과 크기가 추가로 감소될 수 있으며, 즉, 차량의 미션 프로파일(mission profile)은 2번의 완전한 제동 사이의 평균 시간이 설계에 의한 가속 시간보다 훨씬 더 길다는 것을 입증한다. 동일한 방식으로, 플라이휠의 질량이 감소될 수 있어, 동일한 저장 에너지를 유지하고 회전 속도를 증가시킨다. 에너지 식은 회전 속도를 2배로 하여 플라이휠의 관성 모멘트를 4배만큼 감소될 수 있는 이점이 있다.
운동 에너지의 축적에 기초한 해결책의 일반적인 이점은 직류 모터의 경우 극도로 높은 피크 전력이 전달되어야 하는 반면 높은 피크 전류를 희생시키면서 축적 시스템은 일단 안정 상태에서 플라이휠(101)을 정상 상태 속도로 유지하는 데 필요한 전력, 즉, 베어링의 마찰을 극복하고 가능하게는 시간에 따라 조정되는 작용인 제동에 사용되는 에너지를 복원하는 데 필요한 전력만을 필요로 한다는 점으로 표현된다. 이 경우 관련된 전류는 직류 모터를 사용하는 것보다 훨씬 낮아서, 소실(dissipation)로 인한 손실을 감소시키고 더 작은 직경을 갖는 도전체를 필요로 한다.
전자 기계 제동 액추에이터(100)의 상술한 도 6에 도시된 실시예에 기초한 사용의 예가 아래에 제공된다.
1차 트랜스미션 샤프트(103)는 제1 전기 모터(107)의 회전자(610), 플라이휠(101) 및 제1 결합 수단(108)을 연결한다.
제1 결합 수단이 전자 기계 클러치인 것으로 고려하면, 제1 1차 트랜스미션 샤프트에 연결된 제1 회전 부재(604)가 포함된다.
2차 트랜스미션 샤프트(109)는 제1 결합 수단(108), 특히 제1 결합 수단(108)의 제2 회전 요소(607), 트랜스미션 기구(133), 제2 전기 모터(112)의 회전자(611) 및 잠금 수단(111)을 연결한다. 잠금 수단(111)은 전자 기계식 브레이크일 수 있으며 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 회전 부재(613)를 포함할 수 있다. 트랜스미션 기구(133)는 기계적 감속기의 입력 요소 기능을 수행하는 제1 요소(608)를 포함할 수 있다.
제1 전기 모터(107)의 몸체, 제2 전기 모터(112)의 몸체, 전자 기계 브레이크의 제2 요소(615)는 기계적 매스 심볼(616)로 도 6에 도시된 전자 기계 조립체(100)의 몸체에 기계적으로 구속된다.
제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치, 및 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크는 예를 들어, 전자기 유형일 수 있지만 오로지 전자기 유형일 필요는 없다.
전자 기계 클러치는 2개의 기능 상태를 갖는 알려진 산업 구성 요소이다. 제1 상태에서, 회전 요소(604, 607)는 함께 커플링되며, 이러한 방식으로 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 플라이휠(101)이 축적된 운동 에너지를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 구속된 요소에 전달할 수 있도록 기계적으로 구속된다. 제2 상태에서 회전 요소(604, 607)는 서로로부터 커플링 해제되며, 이러한 방식으로 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 기계적으로 해제되어, 플라이휠(101)이 제1 전기 모터(107)에 의해 회전의 정상 상태 속도로 되돌아갈 수 있게 한다. 도 6의 제1 결합 수단(108), 즉, 클러치의 예시는 순전히 기능적이며, 실제로 설명된 기능을 변경하지 않고 유지하면서 다양한 형태를 취할 수 있다.
전자 기계 브레이크는 2개의 기능 상태를 갖는 알려진 산업 구성 요소이다. 제1 상태에서 회전 요소(613)와 고정 요소(615)는 함께 커플링되고, 이러한 방식으로 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 전자 기계 조립체(100)의 몸체(616)에 기계적으로 구속되고 회전이 방지된다. 제2 상태에서 회전 요소(613)와 고정 요소(615)는 서로로부터 커플링 해제되어, 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치가 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 함께 커플링하는 경우 제2 전기 모터(112) 또는 플라이휠(101)에 의한 에너지 전달 하에서 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 자유롭게 회전할 수 있게 한다. 도 6에서 고정 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크의 예시는 순전히 기능적이며, 실제로 설명된 기능을 변경하지 않고 유지하면서 다양한 형태를 취할 수 있다.
트랜스미션 기구(133)의 제2 출력 요소(617), 예를 들어, 기계적 감속기는 제3 트랜스미션 샤프트(619)에 의해 선형 액추에이터(131)에 연결될 수 있다. 선형 액추에이터(131)는 스크류(618), 나사(618) 및 너트 스크류(618') 시스템을 포함할 수 있다. 제3 트랜스미션 샤프트(119)의 회전은 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105) 사이의 거리 L의 변동을 야기한다.
힘 센서 수단(134)은 단부(104, 105) 사이의 거리 L이 변함에 따라 선형 액추에이터(131)에 의해 인가되는 힘 F(L)을 측정할 수 있도록 선형 액추에이터의 단부(104, 105) 사이의 기계적 경로 상에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템(700)에 기초한 사용의 예가 아래에 보고된다.
전원 수단(701), 예를 들어 전원(702), 통상적으로 차량 배터리에 의해 공급되는 전원은 도전체(703, 704) 사이에 안정화된 전원 전압을 제공한다.
전력 변환 수단(706, 707)은 제1 전기 모터(107) 및 제2 전기 모터(112)의 전원에 각각 할당된 도전체(703, 704)에 연결된다.
상기 제어 유닛(720)의 전원의 제어 수단(708)은 도전체(703, 704)에 추가로 연결된다.
전력 변환기 수단(706, 707)은 예를 들어, 3상 인버터일 수 있지만, 오로지 3상 인버터일 필요는 없다.
제1 전기 모터 및 제2 전기 모터(107, 112)는 예를 들어, 브러시리스 모터일 수 있지만 오로지 브러시리스 모터일 필요는 없다.
에너지 저장 디바이스(705)는 전력 변환기 수단(706, 707)을 통해 제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)에 의해 가능하게는 재생되는 전기 에너지에 대한 임시 저장 기능을 수행하기 위해 도전체(703, 704)에 커플링될 수 있다.
제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)는 제어 유닛(720)에 대해 전력 변환 수단(706, 707) 및 둘 모두에 의해 각각 수신되도록 배열된 적어도 하나의 각도 위치 신호(709, 710)를 각각 생성할 수 있다. 종래 기술에 따라 개발된 모터 제어 시스템은 시간에 따른 각 위치 변동 정보로부터 모터의 각속도 정보를 획득할 수 있다는 것이 본 기술 분야에 알려져 있다.
제어 유닛(720)은 힘 센서 수단(134)으로부터의 힘 신호(711), 전자 기계 조립체(100)로부터 요청된 제동력을 나타내는 제동력 요청 신호(712), 비상 제동 요청 신호(724), 상기 전자 기계 조립체(100)가 연관되는 철도 차량의 대차 또는 모체에 대한 중량 부하를 나타내는 중량 신호(718)를 추가로 수신할 수 있다.
제어 유닛(720)은 제어 신호(713, 714)를 생성하여 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치 및 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크를 각각 작동 및 비활성화할 수 있다.
또한, 제어 유닛(720)은 제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)의 속도 및/또는 방향, 그리고 결과적으로 제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)를 향한/그로부터의 전기 에너지의 방향을 각각 제어하기 위해, 전력 변환 수단(706, 707)에 대한 하나 이상의 제어 신호(715, 716)를 생성할 수 있다.
아래는 제어 시스템(700)과 전자 기계 조립체(100) 사이의 동작 및 상호 작용의 예이다.
전자 기계 조립체(100)는 초기에 도 2에 도시된 바와 같이 휴지(rest) 위치, 즉, 브레이크 디스크(206)로부터 각각 거리 A/2에 제동 수단(204, 205)이 있는 위치에 있는 것으로 가정된다.
제어 시스템이 스위칭 온(switching on)될 때, 제어 유닛(720)은 제1 전기 모터(107)를 정상 상태 회전 속도로 가져오기 위해 적어도 하나의 제어 신호(715)에 작용하며 이에 의해 플라이휠(101)이 설계 운동 에너지, 즉, 예를 들어, 완전한 제동 사이클을 적용하는 데 필요한 에너지의 10배이지만 반드시 10배일 필요는 없는 에너지를 저장하게 될 것이다.
도 5를 참조하면, 제동력 요청 신호(712)에 의해 수신된 힘 요청 F3이 존재하는 경우, 제어 유닛(720)은 제어 신호(713)에 작용하여 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치가 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 기계적으로 연결하게 하며, 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크가 전자 기계 조립체(100)의 몸체(616)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 연결 해제하게 한다.
이러한 방식으로, 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 플라이휠(101)에 의해 축적된 에너지를 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달하며, 기계적 감속기로서의 역할을 할 때 트랜스미션 기구(133)의 감속 계수에 대응하는 가능한 감속 계수를 가지며, 트랜스미션 기구(133)의 감소 계수의 역수에 대응하는 토크 증폭 계수를 갖는다.
선형 액추에이터(131)의 단부 사이의 거리 L은 실제로 상당한 양의 에너지를 흡수하지 않고 L0와 L1 사이의 길이를 이동함에 따라 증가하며, 곱 F1·A는 삼각형 L2, L2, Fmax의 면적에 대해 무시할 수 있다.
도 2의 2개의 거리 A/2를 0으로 재설정하는 것에 대응하는 지점 L1에 도달하면, 제동 수단(204, 205), 즉, 브레이크 패드가 브레이크 디스크(206)의 표면에 도달하고, 힘 F(L)이 증가하기 시작하고, 그 값은 힘 센서 수단(134)에 의해 힘 신호(711)를 통해 제어 유닛(720)에 보고된다.
힘 신호(711)가 힘 값 F3이 설계에 의해 제공된 허용 범위 내에서 도달되었음을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은 제어 신호(713)에 작용하여 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)로부터 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 기계적으로 연결 해제되게 하고, 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 전자 기계 조립체(100)의 몸체(616)에 연결하게 한다.
이러한 방식으로, 전자 기계 조립체(100)는 제동력 값을 변경하라는 새로운 요청이 이루어질 때까지 힘 값 F3을 안정적으로 유지한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 양의 힘 인가와 관련된 단계 전반에 걸쳐, 제어 유닛(720)은 제1 전기 모터(112)의 기여를 이용하여 플라이휠과 동일한 방향으로 회전하도록 제어 신호(716)에 의해 이를 활성화하며, 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 대한 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 커플링하는 작용과 동시에, 플라이휠(101)로부터의 에너지 추출을 감소시키거나 적용 속도를 증가시킴으로써 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 추가 토크를 제공한다.
제동력 요청 신호(712)에 의한 F3으로부터 F2로의 힘 감소 요청이 있는 경우, 제어 유닛(720)은 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 전자 기계 조립체(100)의 몸체로부터 연결 해제하게 하고, 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 자유롭게 회전하도록 남겨둔다. 명백하게, 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 제1 결합 수단(108)을 통해 서로로부터 연결 해제된다.
잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크의 비활성화와 동시에, 제어 유닛(720)은 플라이휠(101)과 반대 방향으로 회전하도록 제2 전기 모터(112)를 작동시킨다.
힘 레벨(F3)이 트랜스미션 기구 및 선형 액추에이터, 즉, 단부(104, 105)와 2차 트랜스미션 샤프트(109) 사이의 기계적 체인의 마찰력보다 높은 경우, 즉, 가역적 기계적 체인을 형성하는 경우, 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 플라이휠(101)과 반대 방향으로 독립적으로 회전하려고 시도할 것이다. 이 경우, 회전 속도가 예상되는 힘 해제 기울기보다 높으면, 2차 전기 모터(112)가 제어 유닛(720)에 의해 브레이크로 사용되어, 초과 운동 에너지를 축적 요소(705)에 축적되는 전기 에너지로 변환한다.
힘 레벨 F3이 트랜스미션 기구 및 선형 액추에이터, 즉, 단부(104, 105)와 2차 트랜스미션 샤프트(109) 사이의 기계적 체인의 마찰력보다 낮은 경우, 즉, 상기 기계적 체인이 비가역적인 경우, 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 현재 위치에서 안정적으로 유지되는 경향이 있다. 이 경우, 제2 전기 모터(112)는 제어 유닛(720)에 의해 사용되어 요청된 제동력의 해제 기울기를 보장하는 것과 같은 값에서 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 개시하고 유지한다. 제2 전기 모터(112)는 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)와 트랜스미션 샤프트(606) 사이의 기계적 체인의 정적 해제 마찰과 적어도 같거나 더 큰 최소 토크를 가져야 한다.
힘 신호(711)가 힘 값 F2가 설계에 의해 제공된 허용 범위 내에서 도달되었음을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 조립체(616)의 몸체에 연결하게 한다. 동시에, 제어 유닛(720)은 제2 전기 모터(112)를 비활성화한다. 이러한 방식으로, 전자 기계 조립체(100)는 힘 값을 변경하기 위한 새로운 요청이 이루어질 때까지 힘 값 F2를 안정적으로 유지한다.
제동력 요청 신호(712)로부터 F2에서 0 N(제로 뉴턴)으로의 힘 감소 요청, 즉, 제동력의 완전한 해제가 있는 경우, 제어 유닛(720)은 힘 신호(711)가 힘 레벨 F = 0 N에 도달했음을 나타낼 때, 제2 전기 모터(112)를 활성으로 유지하고 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크를 비활성으로 유지하고 각 위치 신호(710)에 대해 측정된 각 위치의 변동에 대응하는 거리 변동 L 측정을 시작한다는 사실을 제외하고는 정확하게 이전의 경우와 같이 거동한다. 상기 거리 변동 L이 값 A에 도달했을 때, 제어 유닛(720)은 제어 신호(714)에 작용하여 고정 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 전자 기계 조립체(100)의 몸체에 연결하게 한다. 동시에, 제어 유닛(720)은 제2 전기 모터(112)를 비활성화한다. 이러한 방식으로, 전자 기계 조립체(100)는 새로운 힘 값이 요청될 때까지 제동 수단, 즉, 패드 홀더(204, 205)의 위치를 브레이크 디스크(206)로부터 거리 A/2에서 안정되게 유지한다.
상술한 모든 단계 동안, 제어 유닛(720)이 제1 전기 모터(107)를 영구적으로 활성으로 유지하여 플라이휠(101)에 저장된 에너지의 양을 보장할 수 있다는 것은 일정하게 유지된다.
상술한 이점 외에, 본 발명은 특허 WO2019042860호에서 대신 청구된 바와 같이, 주차 제동을 수행하기 위해 특정 디바이스를 필요로 하지 않는다는 이점이 있다. 실제로, 잠금 수단(111), 즉, 전자기적 특성의, 그리고 인버스 유형의 전자 기계 브레이크를 선택하여, 즉, 이에 의해 전기 에너지가 없는 상태에서, 상기 전자 기계 브레이크가 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 전자 기계 조립체(100)의 기계적 매스(mass)(616)에 연결하여, 이후에 전기 에너지가 없을 때 또는 예를 들어, 차량을 장기간 주차되어야 할 때 이전에 인가된 힘을 영구적으로 유지할 수 있다.
잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크의 사용에 대한 대안으로서, 주차 제동력을 무한으로 유지하기 위해, 선형 액추에이터(104, 105)의 단부와 2차 모터(109) 사이에 이어져 있는 기계적 체인, 즉, 기계적 감속 디바이스(609)의 제1 입력 요소(608)를 설계하는 것으로 충분하여, 상기 기계적 체인은 비가역적이고, 즉, Fmax와 동일한 힘 값까지 외부로부터 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)로 인가된 임의의 힘 값에 대해, 전기 에너지가 완전히 없는 경우에도 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 역회전을 부과하는 것은 불가능하다.
전원(702)이 고장난 경우, 전원 수단(701)은 신호(717)에 의해 제어 유닛(720)에 그 사실을 알린다.
즉시, 제어 유닛(720)은 제어 신호(715)에 작용하여 제1 전기 모터(107)가 제어된 발전기로 변환하도록 한다.
실제로, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 제1 전기 에너지 변환 수단(706)은 제1 전기 모터(107)로부터 일정량의 에너지를 흡수함으로써, 즉, 플라이휠(101)에 축적된 운동 에너지의 일부를 전기 에너지로 변환함으로써 전류의 방향을 반전시키며, 상기 에너지의 양은 제어 유닛(720)을 활성 상태로 유지하는 데 필요하다. 순전히 예로서, 10 W에 가까운 규모의 일반 전자 제어 유닛에 의해 요청된 전력과 플라이휠(101)에 의해 공급될 수 있는 사전 계산된 전력을 비교하여 최종의 완전한 제동을 수행하는 데 필요한 시간 동안 10 W에 대응하는 에너지의 추출은 플라이휠에 여전히 존재하고 전자 기계 조립체(100)가 최종의 완전한 제동을 수행하는 데 필요한 기계적 에너지와 관련하여 무시할 수 있다는 것을 이해하는 것이 적절하다.
이러한 마지막 해결책은 예를 들어, 특허 WO2019042841호에 설명된 것처럼 다른 해결책과 비교할 때 매우 유리하다.
특허 WO2019042841호의 경우, 전기 축적 시스템은 최종의 완전한 제동을 수행하는 데 필요한 에너지 축적을 보장해야 할 뿐만 아니라, 철도 규정에서 규정된 온도 범위, 즉, -40 ℃ +85 ℃에서 완벽한 동작을 보장해야 하고 동등한 전자 공압 제동된 시스템에 의해 달성된 유지보수 사이클과 호환되는 수명, 즉, 10년을 보장해야 한다. 또한, 특허 WO2019042841호에서 청구된 축적 시스템이 배터리인 경우, 적절한 안전 레벨, 통상적으로 EN50126, EN50129 표준에 따른 비상 제동에 적합한 레벨 SIL4, 상기 축적 시스템 내부에 저장된 전하량을 갖는다는 것을 입증하는 것이 복잡하다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.
본 발명의 경우, 플라이휠(101)은 제2 전기 모터(112)의 크기를 상당히 감소시켜 힘의 인가에서 촉진자 역할을 할 뿐만 아니라 전기 에너지로 변환될 수 있는 운동 에너지의 저장고 역할도 하여 완전한 최종의 비상 또는 주차 제동을 구현한다. 플라이휠(101)에 축적된 에너지의 양은 제어 유닛(720)에 의한 각도 위치 신호(709)로부터 도출된 플라이휠(101)의 속도의 간단한 측정에 의해 쉽게 모니터링되고 인증된다.
제어 유닛(720)에 의해 생성된 신호(725)는 플라이휠(101)에 저장된 에너지의 양이 최소 안전 임계값에 도달했을 때 제동 시스템 외부의 시스템에 대한 경보를 생성한다.
저장 디바이스(705)는 완전한 제동을 수행할 뿐만 아니라 제1 전력 변환기 수단(706)에 의해 재변환되고 최종 비상 또는 주차 제동을 관리하는 제어 시스템(700)에 의해 즉시 재사용되는 전기 에너지에 대한 임시 버퍼로서의 역할도 하기 위한 크기 조정을 절대적으로 필요로 하지는 않음이 명확해야 한다.
제어 유닛(720)에 결함이 발생하면 플라이휠(101)에 저장된 에너지가 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치를 통해 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 완전히 전달될 수 있는 가능성이 있으며, 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)로부터 플라이휠(101)로 가는 기계적 체인의 적어도 하나의 기계적 부재를 파손할 명백한 위험을 갖는다. 설명된 경우를 해결하기 위해, 제1 결합 수단(108), 즉, 전자 기계 클러치의 마찰 계수를 최대 제동력 Fmax를 인가하는 데 필요한 힘보다 대응하는 마찰력이 약간만 더 크도록 크기 조정하는 것으로 충분하다. 이러한 방식으로, 전자 기계 클러치는 기계적 퓨즈로서의 역할을 한다. 전자 기계 클러치의 기능을 수행하기에 적합한 상업용 전자 기계 클러치는 연결 및 연결 해제 단계 동안 소실되는 수백만 줄(joule)로 측정 가능한 기능적 수명을 갖는다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다. 본 발명의 경우, 예를 들어 상술한 바와 같이, 플라이휠(101)은 천 주울 정도의 전력량을 축적한다. 이 경우, 전자 기계 클러치는 임시 퓨즈 요소로서 작용하면서 후속 동작을 무효화하는 것과 같은 손상을 입지 않는다.
전자 기계 조립체가 연관된 대차에 대한 중량 부하를 나타내는 제어 유닛(720)의 입력에서의 추가 중량 신호(718)의 존재는 가용 파지력(grip force)을 초과하지 않고 가능한 최대 제동력을 제공하기 위해, 제어 신호(720)가 중량 신호(718)에 의해 제공된 중량 값에서 상기 값의 함수로서 가해지는 힘 값을 계산함으로써 전력 고장의 경우 제동을 가하는 절차를 수행할 수 있게 한다.
제동 시스템의 동적 거동과 관련된 이전 설명에서, 결합 수단, 즉, 전자 기계 클러치와 잠금 수단, 즉, 전자 기계 브레이크의 순간 상태를 스위칭하는 것으로 가정했다. 실제로, 위에 언급한 디바이스는 수백 밀리초 정도의 물리적 작동 시간을 가지며, 여기서 마찰력은 0(null) 값으로부터 공칭(nominal) 동작 값으로 연속적으로 진행된다. 이것은 동시 스위칭 동안 운동 에너지로 충전된 플라이휠(101)이 짧은 시간 동안 정확히 100 밀리초 정도의 크기로 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 통해 전자 기계 조립체(100)의 기계적 매스(616)로 오는 경우가 발생할 수 있음을 의미한다.
하나의 해결책은 일반적으로 제조업체에 의해 공급되는 구성 요소의 명목 지연을 제어 유닛(720)의 메모리에 사전 로딩하는 것으로 표현되며, 상기 명목 지연은 제어 모듈에 의해 하나 이상의 결합 수단, 즉, 전자 기계 클러치와 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크에 적절하게 명령하는 데 사용되어, 작동 교차를 피한다.
실제로, 기능 수명 동안, 전자 기계 브레이크와 전자 기계 클러치 모두는 클러치 재료의 점진적인 소모를 겪으며 내부의 기계적 간격을 수정하거나 상기 구성 요소의 기능 구성에 따라 반응 시간을 증가시키거나 단축한다.
이러한 상황을 해결하기 위해, 제어 유닛(720)은 신호(721, 722)에 의해 제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)로부터/이를 향해 전달되는 전류의 진폭 및 방향에 대한 정보를 수신할 수 있다. 이러한 전류는 모터가 받는 토크를 나타내며, 따라서 예를 들어, 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크가 제2 전기 모터(112)를 비활성화하는 이벤트 전 또는 후에 적시에 개입되거나, 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크가 결합 수단, 즉, 전자 기계 클러치를 개방하는 이벤트 전에 개입된다는 사실을 나타낸다. 또한, 전자 기계 브레이크 및 전자 기계 클러치의 작동 및 비활성화는 제1 전기 모터(107) 및/또는 제2 전기 모터(112)의 속도의 변동을 야기한다.
전자 기계 브레이크 및 전자 기계 클러치에 대한 명령 시간을 전기 모터의 전류 및 속도 변동과 상관시킴으로써, 제어 유닛(720)은 기계적 응력과 전자 기계 브레이크 및 전자 기계 클러치의 소모를 최소화하기 위해 비휘발성 메모리에 초기에 사전 로딩된 상술한 스위칭 시간을 수정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 전기 모터(112)가 요구되는 제동력의 인가 및 해제에서 자율적으로 동작할 수 있는 Fmot 아래에 역장(force field)이 있다고 추론될 수 있다. Fmot는 제2 전기 모터(112)의 스케일과 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 가는 기계적 체인의 마찰력에 따른다.
전자 기계 브레이크 및 전자 기계 클러치의 기계적 응력 및 소모를 추가로 제한하기 위해, 제동력장이 Fmot 미만일 때, 제어 유닛(720)은 제2 전기 모터(112)가 회전 속도를 0으로 만든 경우에만 전자 기계 브레이크를 작동시킬 수 있으며, 제2 전기 모터(112)의 회전 속도가 모터의 회전 속도에 도달한 경우에만 전자 기계 클러치, 즉, 결합 수단(108)을 작동시킬 수 있다.
전자 기계 제동 액추에이터(100)의 도 8에 도시된 상술한 실시예에 기초한 사용의 예가 이하에 보고된다.
제3 트랜스미션 샤프트(802)는 플라이휠(101)과 제2 결합 수단(114)을 연결하고, 예를 들어, 제2 결합 수단(114)은 전자 기계 클러치이고 제1 회전 요소(804)는 상기 제3 트랜스미션 샤프트에 연결된다.
1차 트랜스미션 샤프트(103)는 제1 결합 수단(108)을 연결하고, 예를 들어, 제1 결합 수단은 전자 기계 클러치이고 제1 회전 요소(805)는 1차 트랜스미션 샤프트, 제1 전기 모터(107)의 회전자(807) 및 제2 결합 수단(114), 즉, 제2 결합 수단(114)의 제2 회전 요소(809)에 연결된다. 이러한 실시예에서 제1 전기 모터(107)는 조립체에 제공된 유일한 것이므로, 제2 전기 모터(112)는 제공되지 않을 것이라는 점에 유의한다.
2차 트랜스미션 샤프트(109)는 제1 결합 수단(108)의 제2 회전 요소(810)를 구동 기구(133) 및 잠금 수단(111)에 연결한다. 잠금 수단이 전자 기계 브레이크인 경우, 2차 트랜스미션 샤프트는 전자 기계 브레이크의 회전 부재(815)에 연결된다.
제1 전기 모터(107)의 몸체 및 잠금 수단(111)은 기계적 매스 심볼(818)로 도 8에 도시된 전자 기계 조립체(100)의 몸체에 기계적으로 구속된다.
제1 결합 수단(108) 및 제2 결합 수단(114), 즉, 전자 기계 클러치, 및 잠금 수단(111), 즉, 전자 기계 브레이크는 예를 들어 전자기 유형일 수 있지만 반드시 전자기 유형일 필요는 없다.
제2 결합 수단(114)의 동작을 상세하게 분석하고 전자 기계 클러치인 예를 고려하면, 이러한 전자 기계 클러치는 2개의 기능 상태를 갖는 알려진 산업 구성 요소이다. 제1 상태에서, 회전 요소(804, 805)가 서로 커플링되어, 플라이휠(801)이 축적된 운동 에너지를 1차 트랜스미션 샤프트(103)로 전달하고 제1 전기 모터(107)가 플라이휠(101)로 운동 에너지를 전달할 수 있도록 제3 트랜스미션 샤프트(802)와 1차 트랜스미션 샤프트(103)가 기계적으로 구속된다. 제2 상태에서, 회전 요소(804, 805)는 서로 커플링 해제된다. 이러한 방식으로, 제3 트랜스미션 샤프트(802) 및 1차 트랜스미션 샤프트(103)가 기계적으로 해제되어, 플라이휠(101)이 자체 관성에 의해 자유롭게 회전할 수 있게 한다.
제1 결합 수단(108)의 동작을 상세하게 분석하고 그것이 전자 기계 클러치인 예를 고려하면, 이러한 전자 기계 클러치는 2개의 기능 상태를 갖는 알려진 산업 구성 요소이다. 제1 상태에서, 회전 요소(809, 810)가 서로 커플링되어, 제1 전기 모터(107)와 플라이휠(101)이 운동 에너지를 트랜스미션 기구(133)로 전달하는 방식으로 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 기계적으로 구속된다. 트랜스미션 기구(133)가 기계적 감속기인 경우, 운동 에너지는 제1 전자 기계 클러치(803)의 회전 요소(804, 805)가 커플링될 때 기계적 감속기의 제1 요소(812)로 전달된다.
제2 상태에서 회전 요소(809, 810)는 서로 커플링 해제되고; 이러한 방식으로 1차 트랜스미션 샤프트(103) 및 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 기계적으로 해제되어 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 자유롭게 한다.
도 8의 전자 기계 클러치(108, 114)의 예시는 순전히 기능적이다. 실제로, 설명된 기능을 변경하지 않고 유지하면서 다양한 형태를 취할 수 있다.
잠금 수단(111)의 동작을 상세히 분석하고 전자 기계 브레이크인 예를 고려하면, 이러한 전자 기계 브레이크는 2개의 기능 상태를 갖는 알려진 산업 구성 요소이다. 제1 상태에서 회전 요소(815)와 기계적 매스(818)(전자 기계 조립체(100)의 몸체)는 함께 커플링되고; 이러한 방식으로 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 전자 기계 조립체(100)의 몸체에 기계적으로 구속되어, 회전이 방지된다. 제2 상태에서 회전 요소(815)와 기계적 매스(818)(전자 기계 조립체(100)의 몸체)는 서로 커플링 해제되어, 2차 트랜스미션 샤프트(109)가 자유롭게 회전할 수 있게 한다.
도 8의 전자 기계 브레이크(111)의 예시는 순전히 기능적이다. 실제로, 설명된 기능을 변경하지 않고 유지하면서 다양한 형태를 취할 수 있다.
트랜스미션 기구(133)의 동작을 상세하게 분석하고 기계적 감속기인 예를 고려하면, 기계적 감속기의 제2 요소(813)는 제4 트랜스미션 샤프트(821)에 의해 스크류 및 너트 스크류 시스템(820)에 연결된다. 제4 트랜스미션 샤프트(821)의 회전은 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105) 사이의 거리 L의 변동을 야기한다.
힘 센서(134)는 거리 L이 변함에 따라 전자 기계 조립체(100)에 의해 인가되는 힘 F(L)을 측정하기 위해, 예를 들어, 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104 및 105) 사이에 배치될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
도 7에서, 전원 수단(701), 예를 들어, 전원은 전원(702), 통상적으로 차량 배터리에 의해 공급되고, 도전체(703, 704)에 걸쳐 안정화된 전원 전압을 제공한다.
제1 전력 변환 수단(706)은 도전체(703, 704)에 연결되고, 이 예에서는, 제1 전기 모터(107)만이 제공되기 때문에 이것이 유일한 것이다. 제1 전력 변환 수단(706)은 제1 전기 모터(107)의 전원에 할당된다.
상기 제어 유닛(720)의 전원의 제어 수단(708)은 도전체(703, 704)에 추가로 연결된다.
제1 전기 모터(107)는 예를 들어, 브러시리스 모터일 수 있지만 반드시 브러시리스 모터일 필요는 없으며, 제1 전력 변환 수단(706)은 예를 들어, 3상 인버터일 수 있지만 반드시 3상 인버터일 필요는 없다.
에너지 저장 디바이스(705)는 제1 전력 변환 수단(706)을 통해 제1 전기 모터(107)에 의해 재생된 임의의 전기 에너지를 축전하는 기능을 수행한다.
제1 전기 모터(107)는 제1 전력 변환 수단(706) 및 제어 유닛(720)에 대해 각각 의도된 각도 위치 신호(709)를 생성한다. 종래 기술에 따라 개발된 모터 제어 시스템은 시간에 따른 각도 위치 변동에 대한 정보로부터 모터의 각속도 정보를 획득할 수 있다는 것이 종래 기술이다.
제어 유닛(720)은 힘 센서 수단(134)으로부터 힘 신호(711), 및 전자 기계 조립체로부터 요청된 힘을 나타내는 제동력 요청 신호(712)를 추가로 수신한다.
제어 모듈(720)은 제2 결합 수단(114), 제1 결합 수단(108) 및 잠금 수단(111)을 각각 작동, 비활성화하기 위한 제어 신호(713, 723, 714)를 생성한다.
또한, 제어 유닛(720)은 제1 전기 모터(107)의 속도 및 방향을 제어하기 위해 제1 전력 변환 수단(706)에 대한 제어 신호(715)를 생성한다.
이하, 제어 시스템(700)과 전자 기계 조립체(100) 사이의 동작 및 상호 작용을 설명한다.
전자 기계 조립체는 초기에 도 2에 따라 휴지 위치, 즉 제동 수단(204, 205), 즉 패드 홀더가 각각 브레이크 디스크(206)로부터 거리 A/2에 있는 것으로 가정된다.
제어 시스템이 스위칭 온될 때, 제어 유닛(720)은 제3 트랜스미션 샤프트(802)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 연결하는 제2 결합 수단(114)을 작동시키고, 제어 신호(715)에 의해 제1 전기 모터(107)를 기동하고 정상 상태 속도로 가져오며, 상기 정상 상태 회전 속도는 플라이휠(101)이 설계 운동 에너지, 또는 예를 들어, 완전한 제동 사이클을 적용하는 데 필요한 에너지의 10배이지만 반드시 10배일 필요는 없는 에너지를 저장하는 속도이다.
도 5를 참조하면, 제동력 요청 신호(712)로부터의 힘 요청 F3이 존재하는 경우, 제어 유닛(720)은 제어 신호(713)에 작용하여 제2 결합 수단(114)으로 하여금 제3 트랜스미션 샤프트(802)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 기계적으로 연결하게 하고, 제어 신호(723)에 작용하여 제1 결합 수단(108)으로 하여금 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 기계적으로 연결하게 하고 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111)으로 하여금 전자 기계 조립체(800)의 몸체(818)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 연결 해제하게 한다.
따라서, 제3 트랜스미션 샤프트(802) 및 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 플라이휠(101)의 에너지를 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달한다. 따라서, 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전은 플라이휠(101)의 에너지를 기계적 감속기로서 작용할 수 있는 트랜스미션 기구(133)의 감속 계수에 대응하는 가능한 감속 계수와 트랜스미션 기구(133), 즉, 기계적 감속기의 감속 계수에 대응하는 가능한 토크 증폭 계수로 제4 2차 트랜스미션 샤프트(821)로 전달할 수 있다.
선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105) 사이의 거리 L은 곱 F1·A가 삼각형 L2, L2, Fmax의 면적에 대해 무시할 수 있기 때문에 실제로 상당한 양의 에너지를 흡수하지 않고 L0와 L1 사이의 부분을 따라 진행함으로써 증가한다.
도 2의 2개의 거리 A/2를 0으로 재설정하는 것에 대응하는 지점 L1에 도달하면, 제동 수단(204, 205), 즉, 패드는 브레이크 디스크(206)의 표면에 도달하고, 힘 F(L)은 증가하기 시작하고, 그 값은 힘 센서(134)에 의해 힘 신호(711)를 통해 제어 유닛(720)에 보고된다.
힘 신호(711)가 힘 값(F3)이 설계에 의해 제공된 허용 범위 내에서 도달되었음을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은 제어 신호(723)에 작용하여 제1 결합 수단(108)으로 하여금 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 2차 트랜스미션 샤프트(109)로부터 기계적으로 연결 해제하게 하고, 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111)으로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 기계적 매스(818)(전자 기계 조립체(100)의 몸체)에 연결하게 한다.
이러한 방식으로 전자 기계 조립체(100)는 힘 값을 변경하기 위한 새로운 요청이 만들어질 때까지 힘 값 F3을 안정적으로 유지한다.
제어 유닛(720)은 제1 전기 모터(107)가 계속해서 플라이휠(101)을 회전 가능하게 유지할 수 있도록 제2 결합 수단(114)을 활성 상태로 유지한다.
제동력 요청 신호(712)에 의해 F3으로부터 F2로의 힘 감소 요청이 있는 경우, 제어 유닛(720)은 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111)으로 하여금 기계적 매스(818)(전자 기계 조립체(100)의 몸체)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 연결 해제하게 하여 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 자유롭게 회전하게 하고, 제어 신호(713)에 작용하여 제2 결합 수단(114)으로 하여금 제3 트랜스미션 샤프트(802)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 연결 해제하게 하여 제1 전기 모터(107)가 플라이휠(101)과 다른 속도로 회전할 수 있게 하고, 제어 신호(723)에 작용하여 제1 잠금 수단(108)으로 하여금 1차 트랜스미션 샤프트를 2차 트랜스미션 샤프트에 연결하게 하고, 제1 전기 모터(107)를 작동시켜 플라이휠(101)과 반대 방향으로 회전시킨다.
힘 레벨 F3이 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)까지의 기계적 체인의 마찰력보다 큰 경우, 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 플라이휠(101)과 반대 방향으로 자율적으로 회전하도록 시도할 것이다. 이 경우, 회전 속도가 예상된 힘 해제 기울기보다 높으면, 제1 전기 모터(107)가 제어 유닛(720)에 의해 전자 기계 브레이크로서 사용되어, 초과 운동 에너지를 축적 요소(705)에 축적되는 전기 에너지로 변환한다.
힘 레벨 F3이 선형 액추에이터(131)의 단부(104, 105)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)까지의 기계적 체인의 마찰력보다 작으면, 2차 트랜스미션 샤프트(109)는 현재 위치에서 안정하게 유지되는 경향이 있다. 이 경우에, 제1 전기 모터(107)는 요청된 제동력 해제 기울기를 보장하는 것과 같은 값에서 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 시작하고 이를 유지하기 위해 모듈 제어 유닛(720)에 의해 사용된다. 제1 전기 모터(107)는 선형 액추에이터의 단부(104, 105)로부터 2차 트랜스미션 샤프트(109)로의 기계적 체인을 해제할 때 정지 마찰과 적어도 같거나 더 큰 최소 토크를 가져야 한다.
힘 신호(711)가 힘 값 F2가 설계에 의해 제공된 허용 범위 내에 도달되었음을 나타낼 때, 제어 유닛(720)은 제어 신호(723)에 작용하여 제1 결합 수단(108)으로 하여금 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 2차 트랜스미션 샤프트(109)로부터 연결 해제하게 하고 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111)으로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트를 전자 기계 조립체(100)의 몸체(816)에 연결하게 한다. 이러한 방식으로, 전자 기계 조립체(100)는 힘 값을 변경하기 위한 새로운 요청이 이루어질 때까지 힘 값 F2를 안정적으로 유지한다. 동시에, 제어 유닛(720)은 제어 신호(713)에 작용하여 제2 결합 수단(114)으로 하여금 제3 트랜스미션 샤프트(802)를 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 연결하게 하고 제어 신호(715)에 작용하여 제1 전기 모터(107)로 하여금 플라이휠(101)을 정상 상태 회전 속도로 되돌리게 하여 제동 적용 중에 손실된 운동 에너지를 재충전한다.
제동력 요청 신호(712)로부터 F2에서 0 N, 즉, 제동력의 완전한 해제로의 힘 감소 요청이 있는 경우, 제어 유닛(720)은 힘 신호(711)가 힘 레벨 F = 0 N에 도달하면, 제1 전기 모터(107)를 활성 상태로 유지하고 잠금 수단(111)을 비활성 상태로 유지하고, 각도 위치 신호(710)에서 측정된 각도 위치의 변동에 대응하는 거리 L의 변동 측정을 시작하는 것을 제외하고는 이전의 경우와 정확히 같이 거동한다. 상기 거리 변동 L이 값 A에 도달하면, 제어 유닛(720)은 제어 신호(714)에 작용하여 잠금 수단(111)으로 하여금 2차 트랜스미션 샤프트를 전자 기계 조립체(100)의 몸체에 연결하게 한다. 이러한 방식으로, 전자 기계 조립체(100)는 새로운 힘 값이 요청될 때까지 제동 액추에이터의 위치, 즉, 브레이크 디스크(206)로부터 거리 A/2에서 패드 홀더(204, 205)의 위치를 안정적으로 유지한다.
앞의 예에서 설명한 전자 기계 조립체에 대해 설명한 동일한 원리가 주차 제동을 적용하고 최종 비상 또는 주차 제동을 위해 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고 2개의 전자 기계 클러치(803, 811) 및 전자 기계 브레이크의 스위칭 지연을 보상하기 위한 방법과 관련하여 방금 설명한 전자 기계 조립체에도 유효하다.
설명된 트랜스미션 기구(133)는 예를 들어 2개 이상의 기어를 커플링함으로써, 또는 기어를 웜 스크류(worm screw), 또는 직렬의 하나 이상의 유성 기어 박스와 커플링함으로써 획득될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
제어 유닛(720)은 적어도 하나의 마이크로프로세서, 또는 FPGA 또는 게이트 어레이 또는 ASIC 유형, 또는 둘 모두의 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이러한 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템의, 전자 기계 조립체의 다양한 양태 및 실시예가 설명되었다. 각각의 실시예는 임의의 다른 실시예와 조합될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 본 발명은 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항에 의해 정의된 범위 내에서 변경될 수 있음이 이해된다.

Claims (20)

  1. 철도 차량의 제동 시스템에 대한 전자 기계 조립체(100)로서,
    운동 에너지를 축적하도록 배열된 플라이휠(flywheel)(101)을 포함하고;
    상기 플라이휠에 축적된 상기 운동 에너지는 상기 제동 시스템이 적어도 하나의 비상 또는 서비스 또는 주차 제동 액션을 수행하도록 상기 전자 기계 조립체를 동작시키기에 충분한 것을 특징으로 하는, 전자 기계 조립체(100).
  2. 제1항에 있어서,
    - 제1 전기 모터(107);
    - 상기 제1 전기 모터(107)에 회전 가능하게 연결된 1차 트랜스미션 샤프트(103);
    - 2차 트랜스미션 샤프트(109);
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열된 제1 결합 수단(108);
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링되고 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 정지시키도록 배열된 잠금 수단(111);
    - 선형 액추에이터(131)의 2개의 단부(104, 105)가 제1 거리(dis1)에 있는 제1 퇴피 위치로부터 상기 선형 액추에이터의 상기 단부들이 상기 제1 거리(dis1)보다 큰 제2 거리(dis3)에 위치된 제2 연장 위치로 연장 가능하고, 상기 제동 시스템을 작동시키도록 배열되는 선형 액추에이터(131);
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)와 상기 선형 액추에이터 사이에 개재되고, 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전 운동을 상기 선형 액추에이터(131)의 선형 운동으로 변환하도록 구성되는 트랜스미션 기구(133)를 조합하여 포함하고;
    상기 플라이휠(101)은 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 연결되거나 회전 가능하게 연결될 수 있는, 전자 기계 조립체(100).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)는 제2 커플링 수단(114)에 의해 상기 플라이휠(101)에 회전 가능하게 연결될 수 있고;
    상기 제1 전기 모터(107)는:
    - 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 제1 방향(d1)으로 회전시키고, 상기 제1 방향(d1)에 따른 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 증가시키고;
    - 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 상기 제1 방향(d1)과 반대인 제2 방향(d2)으로 회전시키고, 상기 제2 방향(d2)으로의 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 감소시키도록 배열되고;
    상기 제1 전기 모터(107)가 상기 제2 방향(d2)으로 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시킬 때, 상기 제2 커플링 수단(114)은 상기 플라이휠(101)로부터 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 연결 해제하는, 전자 기계 조립체(100).
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전기 모터(107)는 제1 방향(d1)에 따라 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키도록 배열되고, 상기 제1 방향으로의 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리를 증가시키고;
    상기 전자 기계 조립체(100)는:
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 제2 전기 모터(112)를 포함하고;
    상기 제2 전기 모터(112)는 상기 제1 방향(d1)과 반대인 제2 방향(d2)으로 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전시키도록 배열되고;
    상기 제2 방향으로의 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전은 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리를 감소시키는, 전자 기계 조립체(100).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라이휠(101)에서 운동 에너지를 연속적으로 축적하기 위해 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키도록 상기 제1 전기 모터(107)는 계속해서 전력을 공급받는, 전자 기계 조립체(100).
  6. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 결합 수단(108) 및/또는 상기 제2 결합 수단(114)은 전자 기계 또는 전자기 클러치(clutch)를 포함하는, 전자 기계 조립체(100).
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 잠금 수단(111)은 전자 기계 또는 전자기 브레이크를 포함하는, 전자 기계 조립체(100).
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터(131)에 의해 인가되는 힘을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 힘 센서 수단(134)을 포함하는, 전자 기계 조립체(100).
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템으로서,
    - 적어도 상기 제1 전기 모터(107), 상기 제1 결합 수단(108) 및 상기 잠금 수단(111)의 작동을 제어하도록 배열된 제어 유닛(720);
    - 전력원(702)에 대한 입력에 연결되고 안정화된 전압을 출력하도록 배열된 전원 수단(701);
    - 상기 제1 전기 모터에 연결되고 상기 전원 수단(701)의 출력에 존재하는 상기 안정화된 전압의 변환에 의해 상기 제1 전기 모터에 에너지를 공급하도록 구성된 제1 전력 변환기 수단(706)으로서,
    상기 제1 전력 변환기 수단(706)은 상기 플라이휠에 의해 회전 가능하게 구동될 때 상기 적어도 제1 전기 모터(107)에 의해 생성된 가변 전압의 변환에 의해 안정화된 전압을 제공하도록 추가로 구성되는, 제1 전력 변환기 수단(706);
    - 상기 전원 수단(701)의 상기 출력에 존재하는 상기 안정화된 전압으로부터 시작하여 또는 상기 제1 전력 변환기 수단(706)에 의해 제공되는 상기 안정화된 전압에 의해 적어도 상기 제어 유닛(720)에 에너지를 공급하도록 구성된 상기 하나의 제어 유닛(720)의 상기 전원의 제어 수단(708)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 시스템.
  10. 제4항을 인용하는 제9항에 있어서,
    - 상기 제2 전기 모터(112)에 연결되고 상기 출력에 존재하는 상기 안정화된 전압을 상기 전원 수단(701)으로 변환함으로써 상기 제2 전기 모터에 에너지를 공급하도록 구성된 제2 전력 변환기 수단(707)을 포함하고;
    상기 제2 전력 변환기 수단(707)은 상기 플라이휠에 의해 회전 가능하게 구동될 때 상기 제2 전기 모터(112)에 의해 생성된 가변 전압을 변환함으로써 안정화된 전압을 제공하도록 추가로 구성되고;
    상기 하나의 제어 유닛(720)의 상기 전원의 상기 제어 수단(708)은 상기 전원 수단(701)의 상기 출력에 존재하는 상기 안정화된 전압으로부터 시작하여 또는 상기 제1 전력 변환기 수단(706)에 의해 공급되는 상기 안정화된 전압에 의해 또는 상기 제2 전력 변환기 수단(707)에 의해 공급되는 상기 안정화된 전압에 의해 적어도 상기 제어 유닛(720)에 에너지를 공급하도록 구성되는, 전자 기계 조립체에 대한 제어 시스템.
  11. 제4항을 인용하는 제9항 또는 제10항 중 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(720)은 제동력 요청 신호(712)를 수신하도록 배열되고;
    상기 제동력 요청 신호(712)가 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에서 힘 증가에 대한 요청을 나타낼 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 상기 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 통해 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열되고;
    상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 수정하고 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 단부들에서의 힘을 감소시키기 위해, 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 적어도 상기 플라이휠(101)에 의해 축적된 상기 운동 에너지에 의해 생성되고; 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전은 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달되는, 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제동력 요청 신호(712)가 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에서 힘의 감소에 대한 요청을 나타낼 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 상기 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 통해 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
    - 상기 샤프트의 상기 제1 회전 방향과 반대인 상기 샤프트의 제2 회전 방향으로 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전시키도록 상기 제2 전기 모터(112)를 작동시키도록 배열되고;
    상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 수정하고 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 단부들에서의 힘을 감소시키기 위해, 상기 2차 트랜스미션 샤프트로의 회전은 상기 제2 전기 모터(112)에 의해 생성되는, 제어 시스템.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유닛(720)이 상기 전력원(702)으로부터 전원 이상(anomaly)을 검출할 때,
    상기 플라이휠에 의해 축적된 상기 운동 에너지에 의해 생성된 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 상기 제1 전기 모터(107)에 전달되고; 상기 플라이휠에 의해 전달된 상기 운동 에너지는 상기 제어 시스템에 의해 전기 에너지로 변환되고, 상기 변환된 전기 에너지는 상기 제어 시스템의 상기 제어 유닛(720)에 전력을 공급하기 위해 상기 제어 시스템에 의해 사용되는, 제어 시스템.
  14. 제3항을 인용하는 제9항에 있어서,
    상기 제어 유닛(720)은 제동력 요청 신호(712)를 수신하도록 배열되고;
    상기 제동력 요청 신호(712)가 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에서 힘 증가에 대한 요청을 나타낼 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 상기 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 통해 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하고;
    - 상기 제2 결합 수단(114)을 통해 상기 플라이휠(101)을 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열되고;
    상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 상기 거리를 수정하고 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 단부들에서의 힘을 감소시키기 위해, 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 적어도 상기 플라이휠(101)에 의해 축적된 상기 운동 에너지에 의해 생성되고; 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)의 회전이 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)로 전달되는, 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에서 힘의 감소가 요구될 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 상기 잠금 수단(111)을 비활성화하고;
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 통해 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하고;
    - 상기 제2 결합 수단(114)을 통해 상기 플라이휠(101)로부터 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
    - 상기 샤프트의 상기 제1 회전 방향과 반대인 상기 샤프트의 제2 회전 방향으로 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)를 회전시키기 위해 상기 제1 전기 모터(107)를 작동시키도록 배열되고;
    상기 선형 액추에이터(131)의 상기 단부들에서 힘을 감소시키기 위해 상기 제1 전기 모터(107)에 의해 생성된 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전은 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 수정하는, 제어 시스템.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제어 유닛(720)이 상기 전원(702)의 전력 손실을 검출할 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 통해 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
    - 상기 제2 결합 수단(114)을 통해 상기 플라이휠(101)을 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)에 회전 가능하게 커플링하도록 배열되고;
    상기 플라이휠에 의해 축적된 상기 운동 에너지에 의해 생성된 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로의 회전은 상기 제1 전기 모터(107)로 전달되고; 상기 플라이휠에 의해 전달된 상기 운동 에너지는 상기 제어 시스템에 의해 전기 에너지로 변환되고, 상기 변환된 전기 에너지는 상기 제어 시스템의 상기 제어 유닛에 전력을 공급하기 위해 상기 제어 시스템에 의해 사용되는, 제어 시스템.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제동력 요청 신호(712)가 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에서 힘을 유지하라는 요청을 나타낼 때, 상기 제어 유닛(720)은:
    - 상기 제1 결합 수단(108)을 연결 해제함으로써 상기 1차 트랜스미션 샤프트(103)로부터 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)를 회전 가능하게 커플링 해제하고;
    - 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)의 회전을 중지하고 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 2개의 단부 사이의 거리를 일정하게 유지하고 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 단부들에서 힘을 일정하게 유지하기 위해, 상기 2차 트랜스미션 샤프트(109)에 커플링된 상기 잠금 수단(111)을 작동시키도록 배열되는, 제어 시스템.
  18. 철도 차량용 제동 시스템(200)으로서,
    - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 철도 차량의 제동을 위한 전자 기계 조립체(100);
    - 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 제어 시스템;
    - 상기 철도 차량의 적어도 하나의 휠(wheel)에 직접 또는 간접적으로 제동력을 인가하도록 배열된 제동 수단(204, 205)을 포함하고; 상기 제동력의 인가는 상기 선형 액추에이터(131)의 연장 또는 퇴피 운동에 의해 제어되는, 제동 시스템(200).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터와 상기 제동 수단 사이에 개재된 레버(lever) 시스템(203)을 포함하고, 상기 레버 시스템(203)은 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부에 연결되고 상기 선형 액추에이터의 상기 2개의 단부 사이의 거리의 함수로서 상기 제동 수단에 의해 인가되는 상기 제동력을 제어하도록 배열되는, 제동 시스템(200).
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제동 수단에 의해 인가되는 상기 제동력은 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 감소할수록 증가하고, 상기 선형 액추에이터(131)의 상기 2개의 단부(104, 105) 사이의 거리가 증가할수록 감소하고, 그 반대도 마찬가지인, 제동 시스템(200).
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