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신칸센 E954형 전동차

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1. 개요

신칸센 E954형 전동차는 일본의 JR 동일본이 개발한 고속 시험 차량이다. 'FASTECH 360S'라는 이름으로도 알려졌으며, 최고 영업 속도 360km/h를 목표로 제작되었다. 차체 디자인은 이스트 그린과 펄 화이트, 은색 띠 조합으로, '고양이 귀'로 불리는 공력 브레이크를 탑재한 것이 특징이다. 2005년부터 시험 운행을 시작하여 360km/h 주행 시 소음 감소 효과를 확인했으나, 최종적으로는 최고 속도 320km/h로 영업 운전하는 E5계 전동차 개발에 영향을 미쳤다. E954형은 시험 종료 후 폐차되었으며, 일부 부품은 JR 동일본의 연수용으로 활용되었다.

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신칸센 E954형 전동차
개요
아로라인 (아오모리 방면 선두차)
아로라인 (아오모리 방면 선두차)
스트림라인 (도쿄 방면 선두차)
스트림라인 (도쿄 방면 선두차)
이미지 설명Fastech 360 S (2006년 2월 22일 센다이역)
차량 정보
차량명신칸센 E954형 전동차
운영 주체동일본여객철도
제조사가와사키 중공업 (4 - 8호차)
제조사히타치 제작소 (1 - 3호차)
제작 년도2005년
제조 수량1 편성 8량
운행 시작2005년 6월 25일
운행 종료2009년 6월 15일
폐차2009년 9월 7일
편성8량 편성 (6M2T)
궤간1,435 mm (표준궤)
전기 방식교류 25,000V 50Hz
최고 운행 속도360 km/h
설계 최고 속도405 km/h
차량 정원비영업 차량
자중평균 46.0 t
전체 길이27,500 mm (선두차)
전체 길이25,000 mm (중간차)
전체 폭3,380 mm
전체 높이3,650 mm
바닥 높이1,300 mm
차체알루미늄 합금
차체더블 스킨 구조
대차공기 용수철 스트로크식 차체 경사 기구 부착 볼스터리스 대차
대차축량 방식 (1, 2, 5 - 8호차)
대차지지판 방식 (3, 4호차)
주전동기농형 3상 유도 전동기 350kW, 370kW
주전동기영구 자석 동기 전동기 355kW
구동 방식TD 평행 카르단 구동 방식
기어비33:81 ≒ 2.45
편성 출력8,600 kW
제어 방식PWM 컨버터 + IGBT-VVVF 인버터 제어
제동 장치회생 병용 전기 지령식 공기 브레이크
제동 장치(미끄럼 방지 재점착 제어, 응하중 제어, 편성 브레이크력 제어 부착)
보안 장치ATC-2형, DS-ATC

2. 개발 배경

2010년 도호쿠 신칸센신아오모리역까지 연장됨에 따라, 신칸센이 항공기에 대한 경쟁력을 높여야 한다는 요구가 커졌다. 이러한 배경에서 JR동일본은 최고 속도 360km/h로 영업 운전을 하기 위한 데이터를 수집할 목적으로 신칸센 E954형 전동차를 개발하였다.[4]

JR동일본은 2003년E2계를 개조한 고속 운전용 차량으로 360km/h를 달성한 바 있다. 그러나 실용화를 위해서는 추가적인 시험이 필요했고, 이를 위해 신칸센 전용 차량인 E954형(FASTECH 360 S)과 신재 직통용 E955형 (FASTECH 360 Z)을 제작했다.

새로운 차량의 시험 목적에는 안전성 향상뿐만 아니라, 고속 운행 시 발생하는 터널 미기압파와 소음을 줄이고, 승차감을 향상시키는 등 다양한 기술적 과제 해결이 포함되었다.[4]

3. 디자인 및 특징

JR동일본이 최고 속도 360km/h로 영업 운전을 하기 위해 필요한 데이터를 수집하고자 개발한 시험용 전동차이다.[4] ''FASTECH''라는 애칭은 '''''FAST'''''(빠른)와 '''''TECH'''nology''(기술)을 합쳐 만든 조어이며, ''360''은 목표로 하는 영업 최고 속도를 뜻한다.

차체는 창틀 아래 은색 띠를 기준으로 이스트 그린(일본 페인트 도료, 마조라 사용)과 펄 화이트로 도색되어 있으며, 선두차 앞부분은 전체 길이의 절반 이상을 차지한다. 후쿠다 테츠오가 컬러링 등의 디자인을 담당했다.[5] 1호차부터 3호차까지는 알렉산더 노이마이스터가 디자인을 감수했다.

선두차 형태에 따른 소음 영향을 검증하기 위해, E954형은 선두차 형상을 다르게 하고, 동시 개발된 E955형은 선두차 길이를 다르게 하여 기술 개발 효율을 높였다.

최고 속도 405km/h를 낼 수 있는 새로 개발한 소형 고출력 모터를 여러 대 탑재하여 성능을 비교했다. 또한, 1편성 당 2종류의 신형 팬터그래프를 각각 1기씩 탑재하여, 한쪽만 사용해 운전할 수 있도록 했다.

곡선 통과 속도 향상을 위해 공기 용수철 스트로크 편상승 방식의 차체 경사 장치를 도입, 차체를 최대 2도까지 기울여 좌우 정상 가속도를 억제하고 승차감을 높였다.

전주 덮개로 연결 부분을 덮고, 팬터그래프 양옆에 차음판을 설치하고, 흡음재를 사용한 차체 하부 흡음 구조를 적용하는 등 소음 발생을 최대한 억제했다.

신칸센 최초로 공기 저항 증가 장치(공력 브레이크)를 탑재했다. 둥근 부채꼴 모양 판으로, 평상시에는 차량 측면 상부에 수납되어 있다가 긴급 제동 시에만 차체 중앙 쪽 뿌리를 축으로 약 60도 회전하여 지붕 어깨 부분으로 돌출된다. 360km/h에서 제동 시 정지 거리를 기존 신칸센의 275km/h 제동 거리와 비슷하거나 더 짧게 하는 것을 목표로 했다. 이 공력 브레이크는 "고양이 귀"라는 별명으로 불렸다.

센다이항으로 해상 운반되어 미야기현미야기군리후정신칸센 종합 차량 센터에 반입된 후 주행 시험이 진행되었다.

3. 1. 차량 구성

신칸센 E954형 전동차(Fastech 360 S)는 8량 편성으로, 선두차량인 1호차와 8호차는 모터를 탑재하지 않은 제어차였다. 선단 부분의 길이는 약 16m로 동일했지만, 형태는 서로 달랐다. 도쿄 방면의 1호차는 "스트림라인"이라 불리는 E2계500계의 중간 형태였고, 8호차는 "애로라인"이라 불리는 E4계의 발전형과 같은 형태였다. 어떤 형태가 더 적합한지 시험 주행을 통해 판단할 예정이었으며, 1호차와 8호차는 서로 교체할 수 있었다.

E954형 8호차와 Fastech 360 Z(E955-1)에는 분할 병합 시스템 외에, 연결 편성 간의 특고압 배선 연결을 가능하게 하는 특고압 분할 병합 장치가 연결기 상부에 탑재되었다. 이 장치 때문에 전기 연결기는 기존 연결기 상부에서 하부로 이동했으며, 가동 기구를 폐지하여 구조를 간소화했다. 이 장치는 시험 후 철거되었다.[6]

선두부 커버는 1호차와 8호차 모두 3개의 커버로 구성되어 있었고, 전개 시에는 복잡한 구조를 거쳐 작동되었다.

3. 1. 1. 편성표

E954형 전동차는 8량 편성으로 운행되었고, 등록 차호는 S9였다.[13] 2호차와 7호차에는 팬터그래프가 설치되었다.

E954형 편성표
 도호쿠, 조에쓰, 호쿠리쿠 신칸센
호차12345678
차량 구성T1cM1M2M2M1sM2M1T2c
좌석지정석그린샤지정석
정원 8594 517583 
차량 장치 1호기2호기3호기 



E954형 편성표
 東京|도쿄일본어·八戸|하치노헤일본어·新潟|니가타일본어·軽井沢|가루이자와일본어
호차12345678
형식E954형
(T1c)
E954형
(M1)
E954형
(M2)
E954형
(M2)
E954형
(M1s)
E954형
(M2)
E954형
(M1)
E954형
(T2c)
S9 편성
차량 번호
12345678
기기 배치APU,CP,BTCP,CIMTr,CIMTr,CICI,APU,BTMTr,CICI,CPAPU,CP,BT
좌석보통차그린차보통차
정원 8594 517583 
차내 설비(차판 준비실)WC  WC
휠체어석
휠체어석WC차장실
유닛 1유닛2유닛3유닛 



'''범례'''


  • MTr: 주 변압기, CI: 주 변환 장치, APU: 보조 전원 장치, CP: 공기 압축기, BT: 축전지[13]
  • 1 - 3호차는 야마구치현(山口県) 시모노세키시(下松市)의 히타치 제작소 가사도 사업소(日立製作所笠戸事業所)에서, 4 - 8호차는 효고현(兵庫県) 고베시(神戸市)의 가와사키 중공업 차량 컴퍼니(川崎重工業車両カンパニー) 효고 공장에서 제조(2005년 6월 26일 신제)되었다.[14]
  • 편성 번호는 "S9"였다.
  • 8호차 선두 부분에만 신칸센 E955형 전동차(新幹線E955形電車)와의 분할 병합용 연결기를 갖추었다.

3. 2. 주요 기술

E954형은 최고 속도 405km/h를 낼 수 있도록 새로 개발된 소형 고출력 모터를 전동차에 여러 대 탑재하여 성능을 비교하였다. 1개 편성당 2종류의 신형 팬터그래프를 각각 1기씩 탑재하여, 어느 한쪽만 사용해 운전할 수 있도록 했다.

곡선 구간을 빠르게 통과하기 위해 공기 용수철 스트로크 편상승 방식의 차체 경사 장치를 도입, 차체를 최대 2도까지 기울일 수 있게 했다. 이를 통해 좌우 정상 가속도를 억제하여 승차감을 향상시켰다.

소음 저감을 위해 연결 부분은 전주 덮개로 덮고, 팬터그래프 양 옆에는 차음판을 설치했으며, 차체 하부에는 흡음재를 사용한 흡음 구조를 적용했다.

신칸센 최초로 공기 저항 증가 장치(공력 브레이크)를 탑재했다. 이는 둥근 부채꼴 모양의 판으로, 평상시에는 차량 측면 상부에 수납되어 있다가 긴급 제동 시에만 차체 중앙 쪽의 뿌리를 축으로 약 60도 회전하여 지붕 어깨 부분으로 돌출되는 방식이다. 이 장치를 통해 360km/h에서 제동을 걸었을 때 정지 거리를 기존 신칸센의 275km/h에서의 제동 거리와 비슷하거나 더 짧게 하는 것을 목표로 시험했다. 이 공력 브레이크는 그 생김새 때문에 "고양이 귀"라는 별명으로 불리기도 했다.

3. 2. 1. 주행 기기

2호차와 7호차에는 팬터그래프가 설치되어 있다.[7] 가선으로부터 단상 교류 25kV 전압을 받아 주 변압기에서 낮춘 다음, 주 변환 장치에서 직류정류하고, 다시 삼상 교류로 변환하여 주 전동기를 제어하는 VVVF 인버터 제어 방식이다. 2호차부터 7호차까지의 전동차는 2량 1유닛으로 구성되며, 각 유닛의 기동 및 회생 제동 특성은 동일하다.[7] 유닛당 주 회로 기기 무게는 11.6t이다. 기동 가속도는 1.7km/h/s이며, 밝은 구간, 10‰ 구배에서 9노치 특성(영업 차량에서의 최종 노치와 동일)에서 360km/h 균형, 밝은 구간, 3‰ 구배에서 10노치 특성(과부하 특성)에서 400km/h 이상의 성능을 낸다.[8][7]

주 변압기와 차체 빔 사이에는 소음 및 진동을 줄이기 위해 방진 고무를 끼워 넣었다.[8] 차체 쪽에 고무를 부착한 매달기 방식, 차체와 주 변압기 양쪽에 고무를 부착한 샌드위치 방식이 채택되었다.[8]

각 유닛별 주행 기기 제원은 다음과 같다.

유닛주 변압기주 변환 장치주 전동기비고
제1 유닛 (2・3호차)강제 풍랭 방식, 3,650kVA주행 풍랭 수냉 방식, 3레벨 회로농형 삼상 유도 전동기 MT937 (정격 출력 370kW×8)[7][9]
제2 유닛 (4・5호차)강제 풍랭 방식, 3,600kVA강제 풍랭 비등 냉각 방식, 컨버터 3레벨/인버터 2레벨 회로자기 통풍식 영구 자석 동기 전동기 MT939 (정격 출력 355kW×8)[7][9]
제3 유닛 (6・7호차)주행 풍랭 + 강제 풍랭 방식, 3,600kVA강제 풍랭 수냉 방식, 컨버터 3레벨/인버터 2레벨 회로농형 삼상 유도 전동기 MT938 (정격 출력 350kW×8)[7][9]



고속 커브 구간에서 차량 바깥쪽으로 작용하는 원심력이 커지는데, 이를 승객이 느끼지 않도록 차체 틸팅 장치를 탑재한 볼스터리스 대차를 채용했다. 진자식이 아닌 공기 용수철에 의한 차체 틸팅 방식이다.

축상자 지지 방식이 다른 대차가 각 차량에 탑재되었다. 1, 2, 5~8호차는 차축 빔 방식(TR9007, TR9007A, DT9037, DT9039, DT9039A, TR7008), 3, 4호차는 지지판 방식(DT9038, DT9038A)이다.[9]

낙성 시에는 E2계 1000번대와 동일한 싱글 암 팬터그래프(PS207)가 2호차와 7호차에 탑재되었다.[10] 이후, 각각 형상이 다른 신형 집전 장치가 탑재되었다. 가선에 유연하게 추종하기 위해 슬리판을 10분할하여 각각을 실리콘 고무판 위에 배치하고 스프링으로 지지하는 다분할 슬리판 부체이다.[11]

또한, 낙성 시에는 Z자 단면 형상의 차음판이 집전 장치 양옆에 장착되었지만, 2006년 이후에는 양 끝이 30도나 45도가 되는 평판 형상 차음판으로 변경되었다.[11]

3. 3. 실내 설비

5호차는 그린샤, 나머지는 일반차이지만, 각 차량마다 좌석의 전후 간격(시트 피치)이나 컬러링 등이 다른 디자인으로 되어 있다. 좌석의 간격은 2, 3호차가 1,040mm, 4호차가 980mm, 5호차가 1,160mm, 6, 7호차가 1,000mm이다.

1호차에는 차내 판매 준비실, 2, 5, 7호차에는 화장실 및 세면소(5호차는 휠체어 대응)가 있다. 4호차의 신아오모리 방면 절반에는 미팅 공간(뷔페)이 있다.

일반차 좌석


그린샤 좌석

4. 시험 내용

2005년 6월 25일부터 도호쿠 신칸센센다이-키타카미 구간 등에서 주행 시험이 실시되었다.[4] 신개발된 전차선을 가설한 하행선에서 시험 주행을 하고, 상행선에서는 회송되었다. 275km/h부터 365km/h까지 주 2회 정도 시험 주행을 실시했으며, 405km/h 주행도 목표로 했다.

2006년 2월 21일부터는 센다이-모리오카 구간에서 주간 영업 시간대에 주행 시험이 시작되었다. 2008년 8월부터는 E955형과 연결 운전을 실시했다.

2009년 3월에는 조에쓰 신칸센 구마가야역까지 입선했고[15], 5월 21일부터는 구마가야 이북[16]호쿠리쿠 신칸센 타카사키-카루이자와 구간을 주행하여, 호쿠리쿠 신칸센 내에서는 구배 시험을 실시했다. 본 시험에서는 전원 주파수 관계상 본 형식이 호쿠리쿠 신칸센 카루이자와 이서를 주행할 수 없었기 때문에 나가노 신칸센 차량 센터에 보관할 수 없어, 일시적으로 니가타 신칸센 차량 센터에 보관되었다.

4. 1. 시험 결과

360km/h 주행 시 25m 지점의 소음은 E2계 1000번대와 같은 속도에서의 시험 결과와 비교하여 5dB 이상 감소한 것으로 나타났다[19]。하지만 E2계 1000번대의 275km/h 주행보다 소음 수치가 더 높았으며[19], 현재 비악화 속도는 330km/h 정도로 결정되었다[11]。차체 치수 제약이 컸던 E955형(Fastech 360Z)에서의 소음 감소가 어려웠던 점이 편성 전체의 영업 최고 속도 제한으로 이어졌다.

차내 정숙성 및 직선 구간에서의 승차감은 E2계 275km/h 주행과 같거나 더 나은 수준으로 완성되었지만, 360km/h에서의 곡선 통과 및 "Fastech 360Z" 병결 시의 터널 내 동요에 대한 과제가 남았다[20]

이러한 이유로 당초 계획이었던 최고 속도 360km/h 영업 운전은 포기하고, 최종적으로는 비용적인 측면도 고려하여 최고 속도 320km/h로 영업 운전을 하게 되었다.

5. 영향 및 후속 개발

FASTECH 360의 시험 성과를 바탕으로, JR 동일본은 2007년 7월 27일에 2010년 말 도호쿠 신칸센 신아오모리 개통을 목표로 이 형식을 기반으로 한 영업 최고 속도 320km/h의 성능을 가진 신형 차량의 양산 선행차를 제작하고, 최종적인 영업 속도 및 차량 대수는 추후 결정할 것을 발표했다[21]。2008년 4월 1일에 형식명이 E5계로 될 것이 중기 계획의 일부로서 발표되었다[22]。그 후 2008년 11월 10일에, 2010년 12월 운행 개시가 정식 발표되었다[23]E954형 시험에서 동시에 시험된 분할식 브레이크 라이닝의 시험 결과, 공력 브레이크 없이도 제동 거리를 E2계 수준으로 할 수 있다는 결론이 나왔기 때문에, 개발되는 차량은 공력 브레이크가 생략되었다. 실제로는 브레이크 초속 340km/h의 경우, 공력 브레이크를 병용하지 않고 4,000m에서 정지 가능하며, 360km/h부터 공력 브레이크를 병용하면 4,000m에서 정지 가능하다[24]

6. 보존

FASTECH360은 은퇴 후 전 차량이 폐차되어 해체되었지만, JR 동일본의 연수용 부품으로 E954-5의 외판 일부(승강구 부근)가 활용되고 있다.

참조

[1] 간행물 JR東日本E954形新幹線高速試験電車FASTECH360S 交友社「鉄道ファン」 2005-09
[2] PDF 東日本旅客鉄道(株) FASTECH 360 新幹線電車用 駆動装置・集電装置 https://web.archive.[...]
[3] 서적 鉄道のテクノロジーVol.1 新幹線 三栄書房
[4] 보도자료 新幹線高速試験電車の製作について http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道 2004-02-10
[5] 웹사이트 https://www.jreast.c[...]
[6] 웹사이트 高速化に向けた 車両開発(その他) https://www.jreast.c[...]
[7] PDF 小型軽量・高出力回路機器の開発 http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道
[8] PDF FASTECH360における主回路機器の開発 http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道
[9] 간행물 鉄道ファン 交友社 2005-09
[10] 간행물 鉄道ファン 交友社 2005-09
[11] 논문 新幹線高速試験電車FASTECH360の騒音性能(新しい騒音・振動改善技術(3),騒音・振動評価・改善技術) https://cir.nii.ac.j[...] 2007
[12] 간행물 鉄道ファン 2005-09
[13] 간행물 形式図:JR東日本E954形新幹線高速試験電車 交友社「鉄道ファン」 2005-09
[14] 서적 JR電車編成表 '08夏号 ジェー・アール・アール
[15] 뉴스 E954形「FASTECH360S」が上越新幹線で試運転 http://railf.jp/news[...] railf.jp 2009-03-12
[16] 뉴스 E954形「FASTECH360S」、熊谷以北に入線 http://railf.jp/news[...] railf.jp 2009-05-22
[17] 뉴스 E954形「FASTECH 360 S」が新幹線総合車両センターへ http://railf.jp/news[...] railf.jp 2009-06-17
[18] 서적 JR電車編成表2010冬
[19] 논문 新幹線騒音低減技術の開発 https://cir.nii.ac.j[...] 2009
[20] 논문 JR東日本における新幹線高速化への取組み https://cir.nii.ac.j[...] 2007
[21] 보도자료 新幹線高速化について http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道 2007-07-27
[22] PDF グループ経営ビジョン2020-挑む- https://web.archive.[...] 東日本旅客鉄道 2008-03-31
[23] 보도자료 東北新幹線八戸〜新青森間の開業時期について http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道 2008-11-10
[24] PDF 新幹線高速化のブレーキシステムについて http://www.jreast.co[...] 東日本旅客鉄道
[25] Youtube 【JR東日本】新幹線総合車両センター 基礎技術教育とは? https://www.youtube.[...]
[26] 서적 JRR 2009-06
[27] 서적 Kōtsū Shimbunsha 2005-12
[28] 서적 JRR 2010-05



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