자기부상철도

왜 배우는가: 자기부상철도는 고속성과 저소음을 함께 얻는 대표적인 차세대 철도 기술이다. 도시형 노선 도입 논의의 출발점이기도 하므로 부상 방식과 추진 원리를 함께 이해해야 한다. 부상 방식과 추진 방식의 비교는 철도기술사 시험에서 반복해서 묻는 주제다.

출제 이력: 제103회 4교시 3번, 제102회 3교시 3번, 제99회 1교시 10번, 제95회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자기부상철도는 자기력으로 차량을 레일 위에 띄워 바퀴와 레일의 접촉 없이 달리는 철도이다.

자기부상철도(Magnetic Levitation, Maglev)는 답안 첫머리에 이 정의를 두고, 부상 방식과 추진 방식을 차례로 잇는 순서로 답하는 것이 기본이다. 자기부상철도는 추진, 부상, 안내의 세 기능을 자기력으로 함께 해결하는 체계다. 이 세 기능을 한 틀로 묶어 두면 답안의 항목 구성이 흔들리지 않는다.

바퀴식 철도에서는 차량의 하중을 바퀴가 레일과의 접촉으로 받는다. 자기부상철도는 같은 하중을 자기력으로 받으므로 차량이 레일에서 떨어져 달린다. 구름 저항과 접촉 마찰이 줄어드는 것이 이 차이에서 나오며, 이것이 바퀴식 철도와 구별되는 출발점이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 자기부상
• 비접촉 부상
• 상전도 자기부상
• 초전도 자기부상
• 선형전동기
• 도시형 자기부상철도

시험에서는 방식 이름을 정확히 쓰고 영문 약어를 함께 적는 것이 감점을 막는다. 상전도와 초전도는 같은 자기부상이라도 부상 원리가 달라 답안에서 섞어 쓰면 안 된다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 자석의 힘으로 차를 공중에 띄우고, 같은 원리로 차를 앞으로 밀어 달리는 철도다. 바퀴가 레일에 닿지 않으므로 접촉에서 생기는 소음과 마모가 크게 줄어든다.

정식으로는 차량에 설치된 전자석 또는 초전도 자석과 지상의 레일·코일 사이에 작용하는 자기력으로 차량을 레일에서 띄워 지지하고, 선형전동기로 추진하는 철도 시스템이다. 이 정의에서 부상과 추진이라는 두 기능이 나온다.

부상 방식은 차량을 띄우는 힘이 생기는 원리에 따른 분류다. 흡인식, 반발식, 영구자석 방식으로 나누며, 실제 노선에 쓰인 방식은 흡인식과 반발식이 대표적이다.

흡인식(Electromagnetic Suspension, EMS, 상전도 자기부상)은 차량의 전자석이 레일 쪽 철심을 끌어당기는 힘으로 차를 띄우는 방식이다. 흡인식의 부상 간극은 약 1cm로 유지된다. 차체의 센서와 컴퓨터가 간극을 수시로 측정해 전류를 조정하며, 간극이 조금만 벗어나도 흡인력이 급변하므로 전류를 빠르게 조절해야 한다.

반발식(Electrodynamic Suspension, EDS, 초전도 자기부상)은 움직이는 자기장이 도체에 와전류를 일으키고, 그 와전류가 만든 반발 자기장이 차량을 떠받치는 방식이다. 초전도 자석을 쓰면 반발식의 부상 높이는 약 10cm이다.

초전도 자석은 임계온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 코일이다. 초전도 상태를 유지하려면 액체 헬륨 등으로 초저온 냉각을 계속해야 하므로 설비와 운영 부담이 따른다.

영구자석 방식은 영구자석끼리의 반발력으로 띄우는 방식이다. 반발력이 약해 실용 노선에서는 초전도 방식이 주로 쓰인다.

표의 네 행은 답안에서 두 방식을 비교하는 기준이 된다. 부상 간극과 적합 속도는 가장 먼저 써야 하는 비교 항목이다.

흡인식은 간극 제어가 가능하지만 고속에서는 정밀한 제어가 어려워 중저속형에 주로 쓰인다. 흡인식은 저속에서도 안정적으로 떠 있으나 에너지 소모가 많다는 단점이 있다. 반발식은 제어가 비교적 간단하여 초고속형에 적합하다. 다만 정지 상태와 저속에서는 부상력이 부족하다.

흡인식은 저속에서 안정적이고 반발식은 고속에서 유리하다.

혼합형 흡인식(Hybrid Electromagnetic Suspension, H-EMS)은 영구자석이 주된 부상력을 내고 전자석은 안정화만 맡는 방식이다. 전자석의 부담이 줄어 공기 간극을 넓히고 에너지 사용을 줄일 수 있다.

선형전동기(Linear Motor)는 회전형 전동기를 평면으로 펼친 것과 같다. 지상 코일에 흐르는 전류의 방향을 계속 바꾸면 차량의 자석이 끌려 직선으로 움직인다. 원리는 회전형 전동기와 다르지 않다.

선형동기전동기(Linear Synchronous Motor, LSM)는 회전형 동기기와 같은 원리로 작동하며, 빠른 속도가 필요할 때 주로 쓰인다. 차량 쪽에는 영구자석 또는 전자석을 둔다.

선형유도전동기(Linear Induction Motor, LIM)는 회전형 유도전동기와 같은 원리로, 도체판에 유도된 전류가 추진력을 만든다. 선형유도전동기는 중저속형에 주로 쓰인다.