차세대 초고속 수송 시스템인 전기부상식 철도의 리니어 모터카 연구가 야마나시의 실험선을 사용해서 진행되고 있다. 이 연구는 1962년부터 시작되었으며, 각종 주행시험을 실시해서 1999년 4월 14일에는 552km/h의 유인 주행으로 철도의 세계 최고속도를 기록했다. 이번에는 리니어 모터카의 심장부라고 할 수 있는 리니어 모터에 대해 설명한다.

리니어 모터란

일반 모터는 자석의 다른 극끼리(N극과 S극) 흡인하고 같은 극끼리(N극과 N극 또는 S극과 S극)가 반발하는 힘을 이용해서 회전 운동을 하는 것이다. 예를 들면, 그림 1에서와 같이 도체를 감은 고정자 권선과 N극 또는 S극을 가진 회전이 자유로운 회전자를 준비한다(그림 1에는 도시하지 않음). 고정자 권선에 전류가 흐르지 않을 때는 회전자가 회전하지 않는다. 여기에서 그림 2에서와 같은 교류전류(3상 교류)를 고정자 권선에 흘리면 시간의 변화와 함께 자극이 시계 방향으로 돌거나 또는 시계 반대 방향으로 회전하는 회전 자계가 생긴다(그림 3 참조).

▲ 그림 1. 모터의 권선 구조

▲ 그림 2. 3상 교류의 전류 파형

▲ 그림 3. 회전자계

그림 2, 3에서 보듯이 시각이 t1→t2→…t6→t7로 변화함에 따라서 자계가 60。씩 시계 방향으로 회전하는 것을 알 수 있다. 이 회전자계는 회전자의 자극(N극 및 S극)에 작용하여 회전자에 회전하는 힘(회전 토크)을 가한다. 이것이 모터가 회전하는 원리이다. 이 모터를 그림 4에 나타냈듯이 열어서 고정자 및 회전자를 판상으로 늘려 본다. 그리고 고정자 권선에 상당하는 자계가 시간적으로 변화하면 이 변화에 이끌리듯이 회전자에 상당하는 자석이 움직이기 시작한다. 리니어 모터는 바로 이 원리를 이용하고 있다. 일반 모터에는 직류전원으로 움직이는 직류 모터와 교류전원으로 작동하는 교류 모터가 있다. 또 교류 모터에는 유도 모터와 동기 모터 2종류가 있다.

▲ 그림 4. 리니어 모터의 원리

이들의 동작 원리를 응용한 리니어 모터로서 리니어 직류 모터(Linear D.C. Motor : LDM, Linear Thyristor Motor : LTM), 리니어 동기 모터(Linear Synchronous Motor : LSM) 및 리니어 유도 모터(Linear Induction Motor : LIM)가 있다.

이들 리니어 모터 가운데 일본의 철도에서 사용되는 것은 교류 모터의 원리를 이용한 리니어 동기 모터와 리니어 유도 모터이다. 리니어 모터의 전기자에 상당하는 고정자 부분을 차량 측에 둔 것을 차상 1차 방식, 지상 측에 둔 것을 지상 1차 방식이라고 한다. 일본에서 실용화된 대부분의 리니어 모터는 전자의 차상 1차 방식이다.

리니어 동기 모터

JR이 연구 중인 리니어 모터카는 리니어 동기 모터를 채용했다. 이 리니어 모터는 차량 측에 회전자에 상당하는 자석(전자석)을 두고 지상 측에 고정자 권선에 상당하는 자석(코일 : 전자석)을 둔 지상 1차 방식이다. 차량 측의 전자석은 도체를 -269℃로 냉각한 코일에 전류를 흘린 초전도 전자석이다. 초전도 전자석은 -269℃ 이하로 냉각한 도체가 전기저항을 잃어, 한번 흘린 전류가 감쇠하지 않고 계속 흐르는 것을(초전도) 이용한 것이다.

한편, 추진 코일은 그림 5에서와 같이 N극과 S극을 번갈아 배치하고, 이것을 차량의 가속·감속에 맞추어 변화시킴으로써 차량 측의 초전도 자석과 끌어당기는 힘(흡입력 : 실선)과 반발하는 힘(반발력 : 파선)이 동시에 생기게 해서 차량의 추진력을 생성한다.

▲ 그림 5. 리니어 모터 카의 추진 원리

리니어 유도 모터

고정자 측의 권선(1차 측 코일)을 전차의 대차에 설치하고 회전자에 상당하는 권선(2차 측 코일)을 지상 측에 둔 차상 1차 방식의 리니어 유도 모터를 채용한 지하철이 일본에서 실용화됐다. 이러한 방식의 지하철을 리니어 메트로라고 부르기도 한다.

리니어 메트로는 회전형의 모터에 비해 편평하고 박형의 리니어 모터를 사용하며 또한 차바퀴에 구동장치를 둘 필요도 없기때문에 차량의 바닥을 낮출 수 있다. 때문에 차량 단면이 작아져서 터널의 내경을 기존의 지하철에 비해 약 30% 줄일 수 있다. 결과적으로 건설비용을 크게 줄일 수 있다.

또한 리니어 메트로는 구동바퀴를 이용하지 않기 때문에 기존의 지하철과 같은 구동바퀴와 레일의 마찰저항(점착성)을 고려할 필요가 없이 급경사를 주행할 수 있는 외에 차바퀴의 내경화와 축간 거리의 단축으로 곡률 반경을 줄일 수 있다. 때문에 역을 지표에 가까운 장소에 배치하고 주행 구간을 지표에서 깊은 곳에 두는 급경사를 가진 지하철을 건설하는 것과 도로 하부의 용지만을 이용해서 쉽게 건설할 수 있게 된다.

이처럼 리니어 메트로는 역을 지표에 가까운 곳에 배치할 수 있기 때문에 건설비용을 줄일 수 있는 외에 도심부에서와 같이 여러 대의 지하철이 들어오도록 교차해서 주행하고 있는 지하철의 건설 자유도를 높일 것으로 기대할 수 있다.

그런데 리니어 유도 모터의 지상 측 권선(2차 측 코일)에 상당하는 것은 리액션 플레이트라고 불리며, 2개의 레일 간에 평행하게 놓여 있다(사진 1 참조).

▲ 사진 1. 도에이 지하철 오에도선(도쿄도)

리액션 플레이트는 리니어 유도 모터에서 가장 많이 이용되며 비적층 철심 위에 두께 수mm의 알루미늄 플레이트 등의 유도판을 덮은 구조를 취한다. 리니어 유도 모터의 1차 측 코일은 적층 철심에 다상 권선(보통은 3상 권선)을 해서 구성하며, 이 권선에 다상교류(3상) 전류를 흘림으로써 자계를 발생시킨다. 이 자계가 리액션 플레이트에 작용하면 리액션 플레이트에는 유도전류(와전류)가 유기되며 플레밍의 왼손 법칙에 따라 전류와 자계의 작용이 생겨서 차량에 추진력을 가한다.

1차 측 코일에 접속되는 전원에는 광범위한 속도제어가 가능하도록 가변 전압 가변 주파수(VVVF : Variable Voltage Variable Frequency) 인버터가 이용된다.

리액션 플레이트를 이용한 리니어 유도 모터는 2차 저항이 높기 때문에 VVVF 인버터의 출력전압과 1차 전류비가 일정해지도록 V/f 일정 제어가 이루어진다.

한편, 리니어 유도 모터의 1차 전류를 일정하게 하면 추진력은 기본적으로 슬립 주파수의 함수가 된다. 때문에 일반적으로는 차량의 속도를 검지하고 2차 속도 상당의 주파수와 일정의 슬립 주파수를 더한 주파수를 전원의 주파수로 하는 슬립 주파수 일정 제어가 이루어진다.

리니어 모터를 이용한 도어

기존에 차량에 설치한 도어의 개폐장치에는 공기압을 이용한 것과 모터와 기어를 조합한 것이 이용되었지만, 최근에는 도어의 개폐에 리니어 모터를 채용한 차량이 등장했다. 이것은 도어 폐쇄 시의 끼임 검지와 제어가 용이하며 안전성을 높이기 위해서이다. 이도어에이용하는모터는리니어동기모터이며, 그림 6에서와 같은 구조이다. 또한 플랫폼에서 선로로 추락하는 것을 방지하기 위해 설치한 폴랫폼도 어에도 리니어 모터가 적용되었다.

▲ 그림 6. 차량용 미닫이문 개폐장치(후지전기 시스템)

전기철도연구회

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