자기부상철도 부상방식

왜 배우는가: 자기부상열차는 차체를 레일에서 띄워 접촉 없이 고속으로 달리는 차세대 철도 기술이다. 부상방식은 부상력의 방향과 제어 난이도를 정하고 그에 따라 적용 속도 대역이 달라지므로, 여러 교시에 걸쳐 묻는 주제이다.

출제 이력: 제134회 3교시 1번, 제130회 4교시 6번, 제124회 1교시 6번, 제104회 4교시 6번, 제98회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

자기부상열차의 부상방식은 전자기력으로 차체를 레일에서 띄우는 방식이며, 전자기력이 작용하는 방향에 따라 흡인식과 반발식으로 나뉜다.

정의의 핵심은 부상력의 방향이다. 흡인식은 차체가 레일 쪽으로 끌려 올라가는 힘을 쓰고, 반발식은 차량과 레일이 서로 밀어내는 힘을 쓴다. 두 방식 모두 차체와 레일이 접촉하지 않는 비접촉 부상이라는 점은 같으므로, 답안에서는 공통 원리를 먼저 쓰고 방식의 차이를 그다음에 쓴다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 흡인식
• 반발식
• 상전도 전자석
• 초전도 전자석
• 영구자석 반발식
• 부상 간극
• 비접촉 부상
• 전자기력

2. 개념 풀이

자기부상열차는 차량을 레일 위에 띄워 접촉 없이 추진하는 철도차량이다. 차체가 레일에서 떠 있으므로 바퀴와 레일 사이의 구름 마찰과 접촉 진동이 없어지고, 주행 저항이 줄어 고속 운전과 저소음 주행에 유리하다. 부상방식은 차체를 띄우는 힘을 만드는 전자기 원리의 차이로 구분하는 방식이며, 부상력이 작용하는 방향과 발생 방법에 따라 흡인식과 반발식으로 나뉜다.

부상이 성립하는 조건은 부상력이 차량 중량과 평형을 이루는 것이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$F = mg$

여기서 F는 부상력(N), m은 차량 질량(kg), g는 중력가속도(9.8m/s²)이다. 차량 질량이 커지면 같은 간극에서도 더 큰 부상력이 필요하므로, 전자석의 용량이나 자석의 크기를 키워야 한다.

흡인식의 원리는 전자석이 레일의 강자성체를 아래에서 끌어당기는 흡인력에 있다. 차량 하부의 전자석에 흐르는 전류를 조절하여 흡인력을 키우거나 줄이고, 차체에 부착된 센서가 레일과 차체 사이의 거리를 수시로 측정하여 그 거리를 일정하게 맞춘다. 흡인력은 간극이 좁을수록 커지므로 제어가 없으면 차체가 레일에 달라붙거나 떨어져 불안정해진다. 따라서 궤환 제어가 흡인식의 필수 요소이다. 흡인식의 부상 간극은 약 1cm 수준이다. 저속에서도 안정적으로 부상할 수 있으나 전자석에 전류를 계속 흘려야 하므로 에너지 소모가 큰 것이 단점이다. 고속에서는 이 거리 조정이 정밀하게 이루어지기 어려우므로 흡인식은 중저속형에 주로 쓰인다.

반발식의 원리는 차량과 레일 사이의 상대 운동으로 레일의 도체에 유도 전류가 생기고, 그 전류가 만드는 자기장이 차량을 밀어내는 데 있다. 이 반발력은 속도가 빨라질수록 커지므로, 반발식은 일정 속도 이상에서 부상이 가능하고 정지 상태나 저속에서는 부상하지 않는다. 반발식은 초전도 전자석을 차량에 설치하는 방식과 영구자석을 차량과 레일에 설치하는 방식으로 나뉜다. 초전도 전자석 반발식은 차량의 지지와 추진에 함께 쓰이고 부상 높이가 약 10cm 수준이며, 제어가 비교적 간단해 초고속형에 주로 쓰인다. 다만 초전도 상태를 유지하려면 코일을 액체 헬륨 등으로 지속적으로 초저온 냉각해야 한다는 단점이 있다. 영구자석 반발식은 반발력이 약해서 주로 초전도 방식을 쓴다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 흡인식은 레일을 향한 전자석의 흡인력으로 차체를 띄우는 방식이며, 중저속형에 쓰인다.
• 반발식은 상대 운동으로 생긴 반발력으로 차체를 밀어 올리는 방식이며, 초고속형에 쓰인다.
• 부상 간극은 레일 면과 차체 사이의 거리로, 흡인식에서는 제어로 일정하게 유지되는 값이다.

흡인식은 레일 쪽으로 끌어당겨 띄우고, 반발식은 레일에서 밀어내서 띄운다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 철도는 강철 바퀴와 레일의 접촉으로 차량의 하중을 지지하고 추진력을 전달한다. 이 구조에서는 속도가 높아질수록 접촉면의 마찰과 진동, 소음이 함께 커지므로 고속화에 기술적 한계가 생긴다. 자기부상열차는 차체를 레일에서 띄워 접촉 자체를 없애는 방식으로 이 한계를 넘으려는 기술이다. 레일과 접촉하지 않으므로 바퀴식 대중교통보다 빠르고 조용하며 승차감이 부드러울 가능성이 크다는 점이 장점으로 꼽힌다.