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▲ 캡슐형 대차시스템을 적용한 고속열차 예상도
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최근 국제 에너지 비용의 상승으로 지난 10년간 국내 철도 전력 단가가 72% 증가하면서 철도 운영사들의 에너지소비 절감이 필수적으로 다가온 가운데 고속철도 경량화와 공력 저항 저감을 통해 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 기술이 개발되고 있다.
한국철도기술연구원(원장 사공명)은 고속열차의 운영속도를 높이는 반면, 공기저항을 줄이고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 ‘신개념 대차시스템’을 개발하고 있다고 5일 밝혔다.
현재 철도연이 개발 중인 신개념 대차시스템의 핵심기술은 차량 경량화와 공기저항을 줄이기 위한 설계로, 연구진은 열차의 전두부 형상을 최적화하고, 열차 하부를 밀폐한 ‘캡슐형 대차시스템(인보드대차)’을 적용했다.
세부적으로 살펴보면, 캡슐형 대차시스템 경량화를 위해 기존 ‘박스형(ㅁ-형)’ 프레임에서 벗어나 ‘I-형 단면 구조’를 적용하고 최적화 설계를 통해 기존 EMU 대차 프레임 대비 29.5% 경량화가 가능한 설계를 개발했다. 시뮬레이션을 통해 개선된 구조의 안전성도 확인했다.
추진시스템 개발 부문에서는 소형화·경량화를 위해 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM) 구조를 적용, 고출력·고효율을 달성했다.
매입형 영구자석 동기전동기는 기존 유도전동기 대비 효율이 높고, 동일 출력에서도 크기를 줄일 수 있어 소형화에 유리한 것으로 알려져 있다.
특히, 구조가 단순해 유지보수가 쉽고, 작동 시 소음과 진동도 적다. 국내 전동차에는 적용된 사례가 있지만, 아직 고속열차에는 도입되지 않았다.
제동시스템 부문에서는 그동안 철도차량에 적용되던 공압제어시스템 대신 전기기계 제어 방식을 적용해 소형화를 구현했다.
연구진은 하부 구조를 밀폐할 경우 발열 문제가 발생할 수 있는 점을 고려해 브레이크 냉각시스템 설계를 진행하고, 열·유동 해석을 수행하며 밀폐된 공간에서도 발열에 의한 문제는 나타나지 않은 것을 확인했다.
동력전달장치 부문에서는 견인전동기와 감속기 사이의 연결 구조를 보다 작고 간단하게 개선했다.
연구진은 이 같은 주요 장치 설계와 성능 분석 연구를 통해 전체 캡슐형 대차시스템의 해석모델을 개발하고, 탈선 안전도를 비롯한 승차감, 진동 특성 등 다양한 항목에 대한 해석 결과를 도출했다.
특히, 실제 주행 상황을 반영한 마모 차륜 조건에서도 임계속도인 550km/h를 초과해 유럽 주행성능과 승차감을 규정하는 표준 규격인 ‘EN 14363’ 및 ‘EN 12299’ 기준을 만족시키며 안정적인 고속 주행 능력을 입증했다.
한편, 이번 연구는 철도연의 기본연구사업의 일환으로 진행된 ‘K-500 캡슐형 고속대차 핵심기술 개발’ 연구다.
최성훈 철도차량본부장은 “향후 캡슐형 고속대차 핵심기술이 고속열차에 활용되면 차량 하부 밀폐를 통한 공기저항과 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다”고 밝혔다.
사공명 원장은 “캡슐형 고속대차 기술은 현재 유럽 등지에서 강화되는 철도차량의 에너지소비 규제에 대응하고, 국내 고속열차 전력 소비 비용 상승에 대비할 수 있는 기술”이라며, “국내외 고부가가치 철도차량 시장 진출을 이끄는 철도연이 되겠다”고 말했다.
