본 논문은 대면적 자기부상 스태이지의 정밀급 위치제어를 위한 시스템 구성 및 제어 알고리즘에 대한 연구결과를 기술한다. 자기부상 스태이지는 16개의 동기모터에 의해 구동되며, 각 모터의 Moving 부분에 수직방향의 힘과 수평방향의 힘을 모두 발생할 수 있도록 Halbach 구조로 되어 있다. Matlab/Simulink 모델링을 수행하였으며, Simulation 결과를 벼였다.
자기부상열차는 환경영향성, 안락성, 경제성, 고속성 등을 포함한 여러 가지 측면에서 미래 지 향적인 교통수단으로 각광을 받을 것으로 기대된다. 외국에서는 약 20년에 걸친 개발을 통하여 약 500KPH 기량의 시험속도를 달성하고 실용화를 위해 주행시험을 계속하고 있다. 국내의 개 발현황으로는 아직 저속(50KPH 이하)에 머물고 있으나 계속적인 연구개발을 추진하여 새로운 교통수단의 실용화를 앞당기고자 하는 노력이 관련 국가연구소 및 기업을 중심으로 이루어지고 있다. 이와 더불어, '93년 대전세계 박람회에서 운행될 자기부상열차의 성공여부가 금후의 자기 부상열차 실용화에 중요한 전기가 될 것으로 사료된다.
베어링리스 모터는 기존의 전동기와 자기베어링을 결합한 기술로 축 길이가 줄어들어 회전 속도를 높일 수 있으며 소형화가 가능하다는 장점이 있다(Fig. 1). 베어링리스 모터를 설계하기 위한 첫 번째 단계는 베어링리스 모터의 수학적 모델을 도출하는 것인데, 기존의 연구에서 부상용 전류와 부상력의 관계는 잘 정립되어 있다. 그러나, 회전자의 변위에 따른 부상력의 변화는 명확히 정의되어 있지 안다. 본 논문에서는 분산 자기 회로 이론을 이용하여 회전자의 움직임에 따른 부상력의 변화를 스프링계수의 형태로 모델링하였다.(중략)
시속 5백km의 빠른 속도로 날면서 달리는 자기부상열차(maglev라고도 함)는 과연 언제쯤 상업화 될 수 있을까? 지난 30여년간 자기부상차의 연구개발을 위해 수십억달러를 퍼부었던 이 분야의 선발국가들인 독일과 일본은 이미 1970년대와 1980년대에 각각 시범용 차를 제작하여 시속 5백km의 시험주행에는 성공했으나 아직도 실용화시기를 이날 저날로 미루어 오다가 요즘은 기약없이 보류하고 있다. 지난 봄까지만 해도 2002년경에 인천국제공항 등에 설치 운용할 계획이었던 우리나라의 자기부상열차 개발사업도 2000년 예산에는 겨우 10억원이 배정되어 당분간은 상업화의 꿈을 접어둘 수 밖에 없게 되었다.
본 연구에서는 초고속 자기부상열차의 단면도를 통하여 2-D형상을 모델링하고 이를 기반으로 항력과 유동 특성에 대한 분석을 수행하였다. 유동의 마하수가 0.3 이상임을 고려하여 압축성 모델이 사용되었고, 난류모델은 Menter's k-w SST(Shear Stress Transport)모델을 적용시켰다. 2-D 해석과 자기부상열차의 특성상 열차가 공기중에서 주행하고 있는 것으로 가정하고 공력 특성을 해석하였다.
자기부상열차는 궤도 위에 부상하여 운행하는 시스템이다. 자기부상열차의 특성상 주행 중 부상공극을 일정하게 유지하는 것이 사용성 및 승객의 승차감 면에서 매우 중요하다. 이 연구는 2006년 출범한 도시형 자기부상열차 실용화 사업단의 3-1 세부과제 선로구축물 성능개선 과제의 협동연구과제로 자기부상열차교량 상부구조의 급속시공법 개발을 목표로 연구를 수행하였다. 현재 도로교에서 프리캐스트 바닥판은 품질, 공기 면에서 현장타설 바닥판에 비해 우수하며, 널리 사용되고 있다. 따라서, 연구진은 3-1세부과제의 주관기관인 한국철도기술연구원과 협업을 통하여 1차년도에 PSC-U형 거더 및 개구제형 강재 거더에 프리캐스트 바닥판을 적용하여 자기부상열차 가이드웨이의 기본 시스템을 제안한 바 있다. 이 연구에서는 PSC-U형 거더, 프리캐스트 바닥판 및 새로운 형식의 가이드레일 시스템을 적용한 자기부상열차 가이드웨이의 시공성, 사용성, 유지관리성을 평가하고자 거더-바닥판-궤도로 이루어진 목업 실험체를 실대형 크기로 제작하여 실제 시공 환경과 비슷한 모의 시공을 수행하였다.
본 논문에서는 3차원 자기부상열차에 대한 열차-가이드웨이 상호작용 해석기법을 제시하고자 한다. 수직 및 수평방향 변위, 피칭, 롤링 그리고 요잉에 대한 자유도를 각 보기와 차체에 대해 고려하여 총 25자 유도 자기부상열차에 대한 운동방정식을 유도하였다. 제어방식으로는 UTM01에 적용된 제어기법을 이용하였고, 궤도 틀림을 고려하기 위하여 미국 FRA에 적용하고 있는 궤도 불규칙성에 대한 밀도 스펙트럼 함수를 이용하여 조도를 생성하였다. 같은 조건하에 2차원 모델과 3차원 모델의 동적응답 결과를 비교하여 타당성을 확인하였고, 2차원 모델에서 고려할 수 없는 수평방향 조도를 도입하였을 때 수직방향 부상공극에는 두드러진 영향을 미치지 않았으나, 수평방향 부상변위에 있어서 중요하게 작용함을 확인하였다.
자기부상열차의 효율적인 추력제어 및 안전성 높은 운행을 위해서 고성능의 속도/위치 검출 시스템이 중요한 역할을 한다. 일반열차는 바퀴가 선로에 접촉하여 주행하므로 차축의 회전속도를 측정해서 열차의 선로위를 일정한 간격을 두고 부상하여 주행하므로 비접촉식 측정방법을 사용해야만 한다[1-5]. 특히, 고속으로 주행하는 자기부상열차의 속도를 측정하기 위해서는 응답속도가 빠른 센서시스템을 개발하며, 또한 열차주행에 수반되는 자기장의 영향을 극소화하도록 센서시스템을 설계해야만 한다. 본고에서는 전형적인 자기부상열차인 일본의 HSST 시스템(주행속도 100km/h)과 독일의 Transrapid 시스템(주행속도: 400km/h)에 적용되고 있는 속도/위치 검출 시스템의 작동원리를 상세히 설명한다. HSST 시스템은 유도무선(inductive radio system) 방법을 이용하고 Transrapid 시스템은 와전류근접센서(eddy-current proximity sensor)를 이용한다.
자기부상열차의 급전변전소는 공급되는 전력의 주파수 변화에 필요한 인버터를 포함하고 있어, 다른 철도 급전 시스템과는 차별되는 특성을 가지고 있으며, 이에 대한 급전시스템을 구성하고 있는 설비의 정격과 기본적인 모델을 구축하는 연구가 진행 중에 있다. 본 논문에서는 독일의 TR-07 급전 시스템과 중국 상하이 자기부상열차의 인버터 모델을 참고하여, 3레벨 인버터를 이용한 자기부상열차의 급전변전소를 모델링하고 과도현상 분석에 많이 이용되고 있는 프로그램인 PSCAD/EMTDC를 이용하여 그 출력 특성을 살펴보았다. 또한 자기부상열차 시스템 부하에 공급하려는 출력을 위한 인버터 제어 방법을 기술하고, 인버터의 기준파 주파수와 진폭 변조비를 변화시킴에 따라 그 출력이 어떻게 변화하는지 나타내었다.
승객에게 편안한 승차감을 제공할 수 있도록 자기부상열차 차체 연직가속도의 진동크기에 대한 기준을 제시하고 이를 만족하는 가이드웨이 구조물의 처짐한계를 제안한다. 차량-구조물 상호작용을 고려한 해석기법을 사용하여 자기부상열차 시스템의 매개변수 해석을 수행하고, 차체 연직가속도에 대한 기준을 만족할 수 있는 가이드웨이 구조물의 처짐한계를 L/300로 제안한다. 이를 실제 자기부상열차 시스템의 동적 해석에 적용하여 제안한 처짐한계의 적절성을 검토한다. 기존의 자기부상철도 가이드웨이 구조물의 설계 기준과 비교하였을 때, 이 연구에서 제안한 처짐한계를 적용하면 경제적인 가이드웨이 구조물의 설계와 시공이 가능할 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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