자기부상열차 분기기

왜 배우는가: 자기부상열차는 바퀴와 레일이 없는 구조이므로 일반 철도의 분기기와 전환 원리가 근본적으로 다르다. 그래서 자기부상 분기장치는 신교통 철도의 운용 개념을 이해하는 기준이 된다. 여러 회차에 걸쳐 구성과 원리를 묻는 문항이 반복되는 까닭도 여기에 있다.

출제 이력: 제109회 4교시 3번, 제100회 4교시 1번, 제99회 3교시 4번, 제90회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자기부상열차 분기기는 자석의 힘으로 부상·안내되는 궤도에서 열차의 진행 방향을 바꾸는 장치이다. 이 문장을 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓰면 정의 항목을 충족한다. 분기기는 두 개 이상의 선로를 연결하여 열차를 다른 선로로 진입시키는 장치이며, 자기부상열차 분기기는 이 기능을 자기력으로 수행하는 분기기이다. 분기기는 포인트부와 리드부, 크로싱부로 구성된다. 구성 용어는 기존 철도 분기기와 같으므로 아래 키워드는 두 체계에 공통으로 적용된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 자기부상: 전기로 만든 자기력으로 차량을 궤도 위에 띄우는 현상이다.
• 비접촉 부상: 차량과 궤도가 기계적으로 닿지 않고 힘만 주고받는 부상 방식이다.
• 가이드웨이: 자기부상열차가 달리면서 부상력과 추진력을 받는 궤도 구조물이다.
• 부상력과 추진력: 차량을 띄우는 힘과 차량을 앞으로 미는 힘이며, 두 힘이 모두 자기력으로 만들어진다.
• 영구자석 가이드웨이(PMG): 영구자석으로 강한 자기장을 만드는 가이드웨이이며, 분기 전환을 어렵게 하는 원인이 된다.
• 포인트부: 선로가 갈라지는 지점에 설치하는 장치로, 차량의 진로를 정한다.
• 리드부: 포인트부와 크로싱부를 잇는 구간이다.
• 크로싱부: 궤도가 완전히 분리되는 개소에 설치하는 장치이다.

2. 개념 풀이

자기부상열차는 전기로 발생시킨 자기력으로 차량을 레일에서 낮은 높이로 띄우고, 바퀴 마찰 없이 차량을 직접 추진하는 열차이다. 자기부상열차 분기기는 이 열차가 운행하는 구간에서 선로 방향을 바꾸어 주는 장치이다. 정식 정의는 이 두 개념을 합친 것이며, 전환을 기계적 힘이 아니라 자기장으로 수행한다는 점이 기존 분기기와 가장 크게 다르다.

원리는 자석의 성질에 있다. 서로 다른 극 사이에는 흡인력이 작용하고 같은 극 사이에는 반발력이 작용한다. 자기 부상은 이 힘으로 중력을 상쇄하는 방향으로 물체를 띄우는 방법이며, 자기부상열차는 부상과 안내, 추진을 모두 자기력으로 처리한다. 그래서 바퀴와 차축이 맡던 지지 역할을 가이드웨이와 차량 사이의 자기력이 대신한다. 상하이 자기부상열차의 차체와 궤도 사이 공극은 최대 10mm이다. 자기부상열차가 운행할 때 소요되는 동력의 대부분은 공기 저항을 극복하는 데 쓰이며, 부상에 필요한 동력은 전체 에너지 소비량에서 큰 비중을 차지하지 않는다.

분기기의 전환 원리는 자기장 분포를 바꾸는 데 있다. 전자기식 분기장치는 전자석의 입력 전류를 바꾸어 가이드웨이 위의 자기장을 조정하고, 차량에 작용하는 전자기력이 바뀌어 차량이 목표 선로로 안내된다. 전자기력은 자기장의 세기와 분포에 따라 달라지므로, 분기장치는 자기장을 조절하여 차량에 작용하는 힘을 제어하는 장치로 이해해야 한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 흡인력: 서로 다른 극이나 자석과 철 같은 자성체 사이에 서로 당기는 방향으로 작용하는 힘이다.
• 반발력: 같은 극 사이에 밀어내는 방향으로 작용하는 힘이며, 반발식 자기부상이 이 힘을 이용한다.
• 흡인식과 반발식: 자기부상이 이용하는 힘에 따라 나뉘는 두 방식이다.
• 전자기식 분기장치: 전자석의 자기장을 조절하여 기계적 움직임 없이 선로 방향을 바꾸는 분기장치이다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 전기철도는 바퀴와 레일의 마찰로 차량을 전진시키는 방식을 쓴다. 속도가 빨라지면 차륜이 레일에 밀착되지 않아 공회전하는 경향이 생기므로, 이 방식은 초고속 주행에 적합하지 않다. 자기부상열차는 이 한계를 넘기 위해 개발되었다. 바퀴 마찰이 없어 낮은 동력으로 높은 속도를 얻을 수 있다는 점이 개발의 기본 동기이다.

자기부상의 개념은 1922년 독일 엔지니어 Hermann Kemper가 특허로 제안하였다. 독일은 1969년 개발을 시작하여 1971년 Prinzipfahrzeug로 처음 유인 주행에 성공하였다. 이후 일본과 대한민국이 순서대로 개발에 착수하였으며, 이 기술은 1970년대에서 1980년대에 성숙 단계에 이르렀다. 2003년 상하이에서 실용 공공 운행이 시작되었다.