견인전동기 기본설계 고려사항

왜 배우는가: 견인전동기 기본설계는 차량의 추진 성능, 운전 안전, 유지보수 비용을 함께 결정하므로 설계 고려사항을 묻는 기술사 문항의 기본 주제이다. 구동 방식이 직류에서 교류로 바뀌면서 고려 항목이 늘었으므로, 기준을 체계적으로 정리해 두면 여러 문항에 응용할 수 있다.

출제 이력: 제134회 1교시 9번, 제130회 1교시 2번, 제101회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

견인전동기 기본설계는 요구 견인력과 속도를 만족하도록 전동기의 용량, 정격, 구조, 냉각, 절연을 정하는 설계 작업이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 설계 항목을 열거한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 견인전동기: 전기 기관차나 전동차의 차축을 회전시켜 추진력을 내는 전동기이다.
• 정격출력: 온도상승 한계 안에서 지속해서 낼 수 있는 출력의 기준이다.
• 견인력: 차량을 앞으로 밀어 가속하는 힘이며, 전동기 토크를 기어비와 차륜 반경으로 환산한 값이다.
• 온도상승: 운전 중 권선과 철심이 가열되는 정도로, 허용 한계 이하로 유지해야 한다.
• 절연등급: 권선 절연재가 견딜 수 있는 최고 온도를 등급으로 나타낸 것이다.
• 냉각방식: 전동기에서 발생한 열을 외부로 빼내는 방법이며 자냉식과 타냉식 등이 있다.
• 구동방식: 직류 또는 교류 중 어떤 전원과 제어 방식으로 전동기를 돌릴지 정하는 방식이다.

기본설계 고려사항은 크게 네 측면으로 나뉜다. 요구 성능 측면에서는 견인력, 최고속도, 가속도가 정해지고, 열과 절연 측면에서는 정격, 온도상승, 절연등급이 정해진다. 기계 구조 측면에서는 치수, 질량, 기어 결합 방식이 정해지며, 제어 측면에서는 전원과 인버터 조건이 정해진다. 이 네 측면은 서로 얽혀 있어 한 항목을 바꾸면 다른 항목도 함께 바뀐다.

설계는 보통 요구 사양 분석, 전동기 형식 선정, 용량과 정격 산정, 냉각과 절연 검토, 구조와 장착 검토의 순서로 진행한다. 앞 단계의 결과가 다음 단계의 입력이 되므로 순서를 바꾸면 재계산이 반복된다.

2. 개념 풀이

견인전동기는 전기 기관차 또는 전기 도로 차량에서 차량의 추진력을 만들기 위해 쓰는 전동기이다. 전기에너지를 회전력으로 바꿔 차륜을 구동하므로, 기본설계는 차량이 요구하는 견인력과 속도 조건을 먼저 정하고 이를 전동기의 토크와 출력으로 환산하는 순서로 진행한다.

원리는 자기장 속의 도체에 전류가 흐를 때 힘이 작용하는 현상에 있다. 직류 전동기에서 발생 토크는 자속과 전기자 전류에 비례하며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$T = K φ I_a$

여기서 T는 발생 토크(N·m), K는 구조에 따른 상수, φ는 극당 자속(Wb), I_a는 전기자 전류(A)이다. 같은 토크를 얻으려면 자속을 키우거나 전류를 늘려야 하는데, 두 방법 모두 권선 발열과 자기 회로 크기의 제약으로 이어진다. 그러므로 견인전동기 설계는 토크 능력과 온도상승 한계 사이에서 균형점을 찾는 작업이다.

정격은 전동기가 정해진 조건에서 낼 수 있는 출력의 기준이다. 연속정격은 온도상승 한계 안에서 계속 운전할 수 있는 출력이고, 1시간 정격은 과열 없이 1시간 동안 낼 수 있는 최대 출력이다. 1시간 정격은 연속정격보다 약 10% 높게 잡히며, 이 차이는 온도상승에 의해 제한된다.

온도상승 시험은 전동기 온도가 +25°C에서 시작하고 환기 공기도 같은 온도인 조건에서 수행한다. 시험 중 권선, 고정자, 정류자의 온도가 절연 허용 온도를 넘지 않아야 하며, 이 조건이 실제 정격을 결정하는 제약이 된다.

견인력 특성은 속도에 따라 낼 수 있는 견인력이 달라지는 관계이다. 저속 영역에서는 정토크로, 기저속도 이상의 고속 영역에서는 정출력으로 운전하도록 설계한다. 저속은 정토크, 고속은 정출력 영역으로 설계한다. 이 두 영역의 경계가 차량의 가속 성능과 최고속도를 함께 결정한다.

견인전동기에는 주로 H종·N종 절연 계통이 쓰인다. 절연 등급이 높을수록 같은 치수에서 더 높은 온도까지 견딜 수 있으므로, 같은 출력을 더 작은 전동기에서 얻을 수 있다.

전동기는 인버터나 제어장치와 함께 하나의 구동 시스템을 이룬다. 교류 유도전동기는 주파수와 전압을 함께 바꾸는 VVVF 제어로 속도와 토크를 조절하므로, 설계 단계에서 정격 전압과 주파수 범위를 제어 방식에 맞춰야 한다. 직류 전동기는 계자와 전기자 전류를 조절하여 토크를 바꾼다.

전동기 토크는 기어박스를 거쳐 차축에 전달된다. 기어비를 키우면 같은 전동기 토크로 더 큰 견인력을 얻지만 차륜 회전수가 줄어 최고속도는 낮아진다. 따라서 기어비는 견인력과 최고속도의 교환 관계로 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

철도차량의 추진 방식은 디젤기관을 동력원으로 쓰는 방식에서 전기로 차륜을 구동하는 방식으로 옮겨 왔다. 전기 추진은 배기가스가 없고 출력을 전기적으로 제어하기 쉬우며, 여러 대의 전동기를 차량 여러 곳에 나누어 배치할 수 있어 도시철도와 고속철도에 널리 채택되었다. 이 변화로 견인전동기는 차량의 가속 성능과 운행 속도를 결정하는 핵심 장치가 되었다.