견인 전동기
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1. 개요
견인 전동기는 전동차의 주 동력원으로, 직류 또는 교류 전동기를 사용하며, 차량의 가속 및 제동에 기여한다. 초기에는 직류 직렬권선 전동기가 주로 사용되었으나, 파워 일렉트로닉스 기술 발전으로 교류 유도 전동기 및 동기 전동기의 사용이 증가했다. 동력 전달 방식에는 현수식과 카르단 구동 방식이 있으며, 대한민국 철도에서는 직류 정류자 전동기, AC 유도 전동기 등이 사용된다. 견인 전동기는 전기 기관차, 디젤 전기 기관차 등 다양한 철도 차량에 적용되며, 작동 속도, 냉각 방식 등이 설계에 중요한 요소로 고려된다.
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유도전동기는 교류 전력으로 만들어진 회전 자기장을 이용하여 회전자에 전류를 유도하고 토크를 발생시키는 전동기이며, 비동기 전동기라고도 불린다.
견인 전동기 | |
---|---|
지도 정보 | |
개요 | |
종류 | 전동기 |
용도 | 철도 차량 등의 구동 장치 |
다른 이름 | 주전동기 |
영어 명칭 | Traction motor |
일본어 명칭 | 主電動機 (슈덴도키) |
상세 정보 | |
작동 원리 | 전자기력을 이용한 회전 운동 |
주요 구성 요소 | 고정자 회전자 정류자 (직류 전동기) |
구동 방식 | 직류 전동기 교류 전동기 (유도 전동기, 동기 전동기) |
제어 방식 | 저항 제어 초퍼 제어 인버터 제어 |
동력 전달 | 기어, 커플링 등을 통해 차륜에 전달 |
특징 | |
장점 | 높은 토크 넓은 속도 범위 정밀한 제어 가능 |
단점 | 구동축의 정비가 어려움 소음 발생 가능 발열 문제 |
추가 정보 | |
적용 분야 | 전기 기관차 전동차 전기 버스 전기 자동차 건설 기계 산업 설비 |
관련 기술 | 전력 변환 기술 모터 제어 기술 냉각 기술 |
미래 전망 | 고효율, 고출력 전동기 개발 경량화, 소형화 기술 발전 친환경 모터 기술 개발 |
2. 전동기 유형 및 제어
전동차에 사용되는 주 전동기는 크게 직류 전동기와 교류 전동기로 나눌 수 있다.
직류 전동기는 가장 오래된 유형의 견인 전동기였다. 그러나 전력 반도체의 발달로 교류 유도 전동기를 가변 주파수 드라이브(VVVF) 방식으로 사용하는 것이 가능해졌다.
더 나은 작동 조건을 위해 교류 철도는 일반 전력보다 낮은 주파수의 전류로 공급되는 경우가 많았다. 특수 견인 전류 발전소가 사용되거나 회전 변환기를 사용하여 상용 전력을 교류 견인 전동기에 사용되는 낮은 주파수로 변환하였다. 교류 시스템은 철도 선로의 길이에 걸쳐 효율적인 전력 분배를 허용하고, 차량의 스위치 기어를 사용하여 속도 제어도 가능하게 한다.[1]
과거에는 직류 정류자 전동기 중 특히 직권 정류자 전동기가 많이 사용되었다. 이 전동기는 출발부터 저속 영역에서 토크가 크고, 고속으로 될수록 토크가 감소하는 전철에 적합한 특성을 가지고 있었다. 또한, 비교적 오래전부터 확립된 저항 제어를 통해 속도 제어가 용이하여 널리 사용되었다. 그러나 정류자의 원심력 한계와 브러시의 유지 보수 문제, 그리고 저항 제어의 낮은 에너지 효율 문제로 인해 파워 일렉트로닉스 기술의 발전에 따라 다른 방식으로 대체되었다.
삼상 유도 전동기는 전원의 주파수로 결정되는 속도를 크게 바꿀 수 없었기 때문에 과거에는 이용이 어려웠다. 그러나 파워 일렉트로닉스의 발달로 주파수를 자유롭게 바꾸는 VVVF 인버터 제어가 실용화되어 널리 사용되게 되었다. 직류 전동기와 비교하면, 정류자가 없어 구조가 간단하고 보수가 용이하며, 고출력 및 소형화가 쉽다는 장점이 있다.
2. 1. 직류 전동기
직류 전동기는 계자 권선 계열과 함께 견인 전동기의 가장 오래된 유형이다. 직류 직렬권선 전동기(Direct-current motors with series field windings)는 추진에 유용한 속도-토크 특성을 제공하는데, 차량의 가속을 위해 저속에서 높은 토크를 제공하고 속도가 증가함에 따라 토크가 감소한다.[1] 권선을 다중탭으로 배치함으로써 속도 특성을 다양하게 변경할 수 있어 상대적으로 부드러운 가속 제어가 가능하다. 차량에 두 개의 전동기를 사용하여 직렬-병렬 제어(series-parallel control)를 하는 것은 추가적인 제어 방식이다.[1] 저속 운전이나 무거운 하중의 경우 두 개의 전동기를 직류 전원의 직렬로 운전할 수 있다. 더 높은 속도가 필요한 경우 이러한 전동기를 병렬로 운전하여 각 전동기에 더 높은 전압을 공급하여 더 높은 속도를 얻을 수 있다.[1]직류 시스템의 변형으로 교류 직렬 전동기, 즉 만능 전동기(universal motor)가 있는데, 이는 기본적으로 동일한 장치이지만 교류(alternating current)로 작동한다. 전기자와 계자 전류(field current)가 동시에 역전되므로 전동기의 동작은 직류로 여자될 때와 유사하다.[1]
직류 전동기는 오랫동안 전기 기관차, 디젤 전기 기관차, 노면 전차/트램, 디젤 전기식 시추 장비의 전기 추진 장치의 주축이었다. 이는 회전하는 전기자와 회전하는 전기자를 둘러싸고 샤프트에 장착된 고정된 계자권선이라는 두 부분으로 구성된다. 고정된 계자권선은 모터 케이스 내부에 꼭 맞게 감긴 와이어 코일로 구성된다. 전기자는 중앙 샤프트 주위에 감긴 또 다른 코일 세트이며, 정류자라고 하는 전기자의 연장부에 압력을 가하는 스프링식 접점인 "브러시"를 통해 계자권선에 연결된다. 정류자는 전기자 코일의 모든 종단을 모아 원형 패턴으로 분배하여 올바른 전류 흐름 순서를 허용한다. 전기자와 계자권선이 직렬로 연결되면 전체 모터를 "직렬 권선"이라고 한다. 직렬 권선 직류 전동기는 저항이 낮은 계자 및 전기자 회로를 가지고 있다. 이러한 이유로, 전압이 인가되면 옴의 법칙에 따라 전류가 높아진다. 높은 전류의 장점은 모터 내부의 자기장이 강해 높은 토크(회전력)를 생성하므로 열차 출발에 이상적이라는 점이다. 단점은 모터로 흘러 들어가는 전류를 제한해야 한다는 점이다. 그렇지 않으면 전원 공급 장치가 과부하되거나 모터와 케이블이 손상될 수 있다. 최악의 경우, 토크가 접지력을 초과하여 구동륜이 미끄러질 수 있다. 전통적으로 초기 전류를 제한하기 위해 저항기가 사용되었다.
전철 등의 전동기에는 전동발전기(MG) 등에 사용되는 것도 있지만, 주행용의 것을 특히 주전동기라고 한다. 가속 등의 경우에는 인가전압 등을 주제어기 등의 제어장치에서 제어한다. 또한 발전브레이크, 회생브레이크 등의 경우에는 발전기로서 작용하여 주행 에너지를 전력으로 바꾸는 경우도 있다.
주전동기의 특성으로는 다음과 같은 것이 바람직하다.
- 특히 기동시 및 저속에서 토크가 큰 것. 가장 토크가 필요한 것은 기동시이므로 고속 영역보다 중요하다.
- 폭넓은 속도 영역에서 성능을 발휘할 수 있고, 속도(=회전수)의 제어가 용이한 것.
- 기동시나 대부하시에 과대한 전력을 필요로 하지 않는 것.
또 전철 등의 주전동기는 차량의 바닥 아래의 대차에 설치되기 때문에, 차량 바닥의 높이와 궤간에 따라 크기가 제약되므로, 가능한 한 소형으로 큰 출력과 토크를 얻을 수 있는 것이 바람직하다. 자세한 내용은 전동차의 속도 제어#전동차와 전동기에 나와있지만, 주전동기 방식으로 과거부터 현재까지 많이 사용되는 것은 다음 세 가지이다.
- 직류 정류자 전동기 - 특히 과거에는 직권 정류자 전동기가 많았다. 출발부터 저속 영역에서 토크가 크고(단, 저항을 병용), 고속으로 될수록 토크가 감소하는 전철에 적합한 특성을 가지고 있으며, 제어 기술로는 비교적 오래전부터 확립된 저항 제어에 의한 속도 제어가 용이하기 때문에 널리 사용되었다. 하지만, 구리와 페놀 수지가 결합된 정류자는 과대한 원심력을 견딜 수 없기 때문에, 어느 정도 이상의 회전수를 만들 수 없고, 마모되는 브러시의 유지 보수에도 손이 많이 간다. 또한, 저항 제어에서는 일정한 전력을 열로 버리고 있기 때문에 에너지 효율이 낮아, 파워 일렉트로닉스 기술의 발전에 따라 다른 방식으로 이행해 갔다. 계자 쵸퍼 제어에서는 복권 정류자 전동기가 사용된다.
2. 2. 교류 전동기
전력 반도체 소자의 등장 이전에는 교류 유도 전동기와 동기 전동기는 단순하고 유지 보수가 적었지만, 고정된 속도 특성 때문에 견인 전동기에 적용하기 어려웠다. 교류 유도 전동기는 그 구조와 교류 전원의 주파수에 따라 결정되는 좁은 속도 범위에서만 유용한 양의 전력을 생성한다.[1]그러나 전력 반도체의 출현으로 기관차에 가변 주파수 드라이브(VVVF)를 장착할 수 있게 되었다. 이는 광범위한 속도, 교류 전력 전송, 그리고 브러시와 정류자와 같은 마모 부품이 없는 견고한 유도 전동기의 사용을 가능하게 한다.[1]
3. 구동 방식
전동기의 동력을 바퀴에 전달하는 방식은 크게 현수식 구동 방식과 카르단 구동 방식으로 나뉜다. 전동차의 경우 대부분 기어식 구동 장치가 사용되며, 전기 기관차의 경우, 특히 오래된 것에서는 기어식 이외의 다양한 형식의 전달 장치가 사용되기도 한다.
3. 1. 현수식 구동 방식 (吊り掛け駆動方式)
전철의 경우, 대부분 기어식 구동 장치가 사용되며, 그 방식의 분류는 주전동기의 구조에도 직접 반영된다. 주전동기의 대차 장착 방식은 크게 두 가지로 분류된다. (자세한 내용은 각 링크를 참조).- 현수식 구동 방식
- 카르단 구동 방식
전기 기관차의 경우, 특히 오래된 것에서는 기어식 이외의 다양한 형식의 전달 장치가 사용되기도 하지만, 일반적으로는 현수식 구동 방식이 많이 사용된다. 그 외에 부프리식 구동 장치처럼 차체의 바닥면에 주전동기를 배치하고, 특수한 전달 장치나 로드로 차륜을 구동하는 방식도 있다.[2]
3. 2. 카르단 구동 방식 (カルダン駆動方式)
카르단 구동 방식은 전동기와 차축 사이에 카르단 조인트를 사용하여 동력을 전달하는 방식으로, 윤하중이 감소하고 고속 주행에 유리하다. 전동차의 경우, 대부분 기어식 구동 장치가 사용되며, 주전동기의 구조에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.- 조괘 구동 방식
- 카르단 구동 방식
프랑스 TGV 동력차는 동력차 차체에 모터를 장착하여 각 차축을 구동하는 방식을 사용한다. "삼각대" 구동은 구동계에 약간의 유연성을 주어 트럭 대차가 회전할 수 있게 한다.[2] 이처럼 상대적으로 무거운 견인 전동기를 대차가 아닌 동력차 차체에 직접 장착하면 더 나은 역학적 특성을 얻어 고속 운전을 개선할 수 있다.[2]
4. 회전 방향
주 전동기는 기어 측에서 볼 때 기본적인 회전 방향이 있으며, 시계 방향(CW, clockwise)형과 시계 반대 방향(CCW, counterclockwise)형이 있다.[4] 국내 제조업체의 경우 해외 기술 제휴사의 영향을 고려해야 한다.
회전 방향 | 제조사 | 기술 제휴사 |
---|---|---|
시계 방향(CW) | 히타치 제작소 | (독자적인 방향성) |
시계 반대 방향(CCW) | 미쓰비시 전기 | 웨스팅하우스 일렉트릭(WH사) |
시계 반대 방향(CCW) | 도시바 | 제너럴 일렉트릭(GE사) |
시계 반대 방향(CCW) | 도요 전기 제조 | 잉글리시 일렉트릭(EE사) |
5. 대한민국 철도에서의 주 전동기
대한민국 철도에서는 초기에 직류 전동기가 주로 사용되었으나, 기술 발전에 따라 교류 유도 전동기의 사용이 증가하고 있다.
5. 1. 한국철도공사 (KORAIL)
6. 전기 기관차용 주 전동기
전기 기관차는 전동차에 비해 더 큰 출력을 요구하며, 이에 따라 더 강력한 주 전동기가 사용된다.
6. 1. 한국철도공사 (KORAIL)
한국철도공사(KORAIL)는 8000호대, 8100호대, 8200호대, 8500호대 등 다양한 형식의 전기 기관차를 운영하며, 각 기관차에 맞는 주 전동기를 사용한다.7. 개발 역사
직류 전동기는 계자 권선 계열과 함께 견인 전동기의 가장 오래된 유형이었다. 전력 반도체의 등장으로 기관차에서 가변 주파수 드라이브를 사용할 수 있게 되었다. 초기 전기 철도 개발 시기에는 제너럴 일렉트릭(GE)과 웨스팅하우스(WH) 등이 주 전동기 개발을 주도했다.
7. 1. 제너럴 일렉트릭 (General Electric)
프랭크 스프레이그(Frank Sprague)의 회사를 통합한 후, 1892년에 GE-800형 전동기를 만들었다. GE-800형을 개량하여 GE-57형 전동기가 되었다.[5] 경함전기철도의 4륜 전차도 참조.7. 2. 웨스팅하우스 일렉트릭 (Westinghouse Electric)
WH-12A형 전동기는 1894년에 개발되었다.[5] 경함전기철도의 4륜 전차에도 사용되었다.8. 기타
전철 등의 전동기에는 전동발전기(MG) 등에 사용되는 것도 있지만, 주행용을 특히 주 전동기라고 한다. 가속할 때에는 인가 전압 등을 주제어기 등의 제어 장치에서 제어한다. 발전브레이크, 회생브레이크 등을 사용할 때에는 발전기로서 작용하여 주행 에너지를 전력으로 바꾸기도 한다.
주 전동기가 갖추어야 할 바람직한 특성은 다음과 같다.
- 특히 기동 시 및 저속에서 토크가 커야 한다. 가장 토크가 필요한 것은 기동 시이므로 고속 영역보다 중요하다.
- 폭넓은 속도 영역에서 성능을 발휘할 수 있고, 속도(회전수) 제어가 용이해야 한다.
- 기동 시나 대부하 시에 과대한 전력을 필요로 하지 않아야 한다.
전철 등의 주 전동기는 차량 바닥 아래의 대차에 설치되므로, 차량 바닥 높이와 궤간에 따라 크기가 제약된다. 따라서 가능한 한 소형으로 큰 출력과 토크를 얻을 수 있는 것이 바람직하다.
전기 기관차는 일반적으로 ''연속 정격''과 ''1시간 정격''을 갖는다. 1시간 정격은 모터가 과열되지 않고 1시간 동안 지속해서 낼 수 있는 최대 출력이다.[3] 1시간 정격은 일반적으로 연속 정격보다 약 10% 높으며, 모터의 온도 상승에 의해 제한된다.
견인 전동기는 감속 기어 장치를 사용하여 모터 전기자에서 구동축으로 토크를 전달하므로, 모터에 가해지는 실제 부하량은 기어비에 따라 달라진다. 따라서 "동일한" 견인 전동기라도 기어비에 따라 상당히 다른 부하 정격을 가질 수 있다. 저속 기어 비율로 화물 운송에 맞춰 기어가 장착된 견인 전동기는 동일한 전류에서 더 낮은 기어가 모터에 더 많은 기계적 이점을 제공하기 때문에 더 긴 시간 동안 바퀴에 더 높은 토크를 안전하게 생성할 수 있다.
개별 견인 전동기 정격은 일반적으로 까지 다양하다.
높은 출력 때문에, 견인 전동기는 거의 항상 강제 공기, 물 또는 특수한 절연액을 사용하여 냉각한다.
미국 디젤 전기 기관차의 일반적인 냉각 시스템은 전기로 작동되는 팬이 기관차 프레임에 통합된 통로로 공기를 불어넣는 방식이다. 고무 냉각 덕트가 통로를 개별 견인 전동기에 연결하고, 냉각 공기는 전기자를 따라 이동한 후 대기 중으로 배출된다.
참조
[1]
서적
Electric Traction - Motive Power and Energy Supply: Basics and Practical Experience
Oldenbourg Industrieverlag
2008
[2]
웹사이트
TGVweb - "Under the Hood" of a TGV
http://www.trainweb.[...]
2017-12-12
[3]
문서
Сидоров 1980
1980
[4]
간행물
鉄道遺産の価値変遷と電気品
2022
[5]
간행물
電車用モーター
鉄道総合技術研究所
2013
[6]
간행물
鉄道青春時代-国電(1)
電気車研究会
2011-02
[7]
문서
RP820
[8]
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200系新幹線電車の主要電気品
1981
[9]
서적
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[10]
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2010-05
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