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자기부상열차

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목차

1. 개요

자기부상열차는 자력을 이용하여 차체를 궤도 위에 띄워 운행하는 열차 시스템이다. 1914년 영국에서 최초의 모델 실험이 진행되었으며, 독일, 일본 등에서 기술 개발이 이루어졌다. 자기부상열차는 부상 방식에 따라 흡인식과 반발식으로, 추진 방식에 따라 리니어 모터를 사용하며, 고속 주행, 저소음, 저진동, 낮은 유지보수 비용 등의 장점을 갖는다. 독일, 일본, 중국, 한국 등에서 상용화되었으며, 현재 다양한 노선이 운영 중이거나 건설 계획이 진행되고 있다.

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자기부상열차
자기부상열차
상하이 자기부상열차
상하이 자기부상열차
유형고속철도
작동 원리자기 부상
최고 속도603 km/h (시험 운행), 431 km/h (영업 운행)
상용화된 노선 길이30.5 km
작동 원리
자기 부상강력한 자석을 사용하여 열차를 선로 위로 부상시킴
추진력자기력을 이용하여 열차를 추진시킴
마찰 감소부상으로 인해 마찰 저항이 크게 감소함
장점
고속 운행기존 철도보다 훨씬 빠른 속도로 운행 가능
소음 감소기계적 접촉이 없어 소음이 적음
마모 감소접촉이 없어 부품 마모가 적고 유지보수 비용 절감
승차감 개선진동이 적어 승차감이 좋음
단점
건설 비용기존 철도보다 건설 비용이 많이 듦
기술 복잡성복잡한 기술이 필요하며 기술 난이도가 높음
에너지 소비자기 부상 및 추진에 많은 에너지 소비
역사
최초 개발1960년대
상용화1984년 영국 버밍엄 공항
세계 최초 고속 자기부상열차 노선중국 상하이 (2004년)
주요 노선
상하이 자기부상열차중국 상하이 푸둥 국제공항 - 룽양루 역 구간
야마나시 자기 부상선일본 야마나시현 (시험선)
창사 자기 부상선중국 창사 황화 국제공항 - 창사 남역 구간
베이징 자기 부상선중국 베이징 서부역 - 핑궈위안 역 구간
기술 종류
전자석 부상식 (EMS)전자석으로 열차를 부상시키고 제어
초전도 부상식 (EDS)초전도 자석을 사용하여 열차를 부상시킴
미래 전망
고속 교통망장거리 고속 교통 수단으로 발전 가능성 높음
기술 개발건설 비용 감소 및 에너지 효율 향상 연구 진행 중
기타
관련 기술초전도체, 전자기학, 제어 공학

2. 역사

자기부상열차의 초기 역사는 여러 국가들의 개발 노력과 함께 시작되었다. 1907년, F. S. 스미스는 초기 전자기 운송 시스템을 개발했다.[15] 같은 해, 독일 발명가 알프레드 체덴은 선형 모터(linear motor) 추진 열차에 대한 특허를 받았다.[14] 1912년 프랑스계 미국인 발명가 에밀 바슐레(Émile Bachelet)는 전자기 부상 및 추진 방식의 모형 기차를 시연했다.[19]

1937년부터 1941년 사이에는 헤르만 켐퍼가 자기 부상 열차에 대한 일련의 독일 특허를 받았다.[14] 제2차 세계 대전 이후, 철도의 고속화 연구가 진행되면서 차량을 부상시켜 고속화를 꾀하는 아이디어가 나왔다.

1960년대부터 자기부상열차 연구가 본격화되었고, 특히 독일은 국가적 지원을 받았다. 1971년, 독일의 프린치프파르초이그는 90km/h를 기록하며 세계 최초의 유인 자기부상열차가 되었다.[232] 같은 해, TR-02는 164km/h를 기록했다. 일본에서는 1972년 ML100이 60km/h로 유인 시험에 성공했다.

1970년대에는 독일에서 초전도 전자유도식 부상 EET-01이 230km/h(1974년), Komet가 401km/h(1975년)를 기록했다. 일본에서는 HSST-01이 308km/h(1978년), ML-500R이 517km/h(1979년)를 기록하며 500km/h를 넘는 데 성공했다.

1980년대 이후에도 독일과 일본은 꾸준히 속도 기록을 경신했다. 독일은 TR-07로 450km/h(1993년), 일본은 MLX01로 552km/h(1999년), 581km/h(2003년)를 기록했다. 2015년에는 일본의 L0가 603km/h를 기록하며 유인 시험에서 세계 최고 속도를 달성했다.

중국은 2003년 독일의 기술을 도입하여 상하이 트랜스라피드를 개통, 유인 501km/h를 기록했다. 대한민국은 1993년 대전엑스포에서 HML-03을 선보였다.

2. 1. 개발

1940년대 후반, 임페리얼 칼리지 런던 교수였던 에릭 레이스웨이트는 최초의 실물 크기 선형 유도 모터를 개발했다.[11] 1960년대와 1970년대에 선형 모터는 첨단 교통 시스템에서 일반적인 장치가 되었다. 레이스웨이트는 궤도 활공선 RTV-31 프로젝트에 참여했지만, 1973년 취소되었다.[12]

1970년대 초, 레이스웨이트는 하나의 선형 모터로 양력과 추력을 모두 생성할 수 있는 자기 강(magnetic river)을 발견하여 단일 자석 세트로 자기부상열차 시스템을 구축할 수 있게 했다. 영국철도 연구부 더비에서 여러 토목 건설 회사의 팀과 함께 "횡속류(transverse-flux)" 시스템을 작동 시스템으로 개발했다.

최초의 상업용 자기부상 인원 수송 시스템은 "MAGLEV"이라고 불렸으며, 1984년 영국 버밍엄 근처에서 공식 개통되었다.[13] 버밍엄 공항과 버밍엄 국제역 사이의 구간에서 최대 의 속도로 운행되었다. 이 시스템은 신뢰성 문제로 1995년에 폐쇄되었다.[13]

2. 2. 국가별 개발 역사

구분독일일본한국미국중국
연구시작1969년1962년1989년1995년2000년
초고속형 속도450km/h603km/h550km/h(목표)900km/h(목표)
초고속형 방식상전도 흡인식, LSM초전도 반발식, LSM상전도 흡인식, LSM인덕트랙상전도 흡인식, LSM
개발단계개발 완료개발 완료(시운전)개발 목표개발 완료(시운전 예정)
초고속형 실용화트란스라피드주오 신칸센(예정)이름 미정
중저속형 속도100km/h110km/h100km/h100km/h
중저속형 방식상전도 흡인식, LIM영구자석 반발식, LSM상전도 흡인식, LIM
개발단계개발 완료개발 완료2009년 개발 목표개발 완료
중저속형 실용화리니모인천공항 자기부상철도 (2016년 2월 3일 개통)

[296]


  • '''독일'''


1966년 메서슈미트-볼코프-블롬(MBB)사가 연구를 시작하여, 1971년 '''프린치프파르초이그'''로 90km/h를 기록하며 세계 최초 유인 자기부상철도가 되었다.[232] 1975년 Komet는 401.3km/h를 달성했다. 클라우스-마파이사의 트란스라피드 TR-02호기는 1971년에 164km/h를, 지멘스사의 '''EET-01'''은 1974년 230km/h를 기록했다.

  • '''일본'''


1963년 철도종합기술연구소 중심으로 연구가 시작되어, 1972년 국철은 ML100으로 시험 주행을 공개했다. 일본항공은 HSST 개발을 1975년에 시작했다. 1979년 무인 주행으로 517km/h, 2015년 L0계 신칸센이 603km/h로 세계 최고 속도를 경신했다.

  • '''대한민국'''


인천국제공항 자기부상철도


1993년 대전엑스포에서 HML-03을 운행했고,[239] 2008년부터 엑스포과학공원에서 UTM-02가 운행 중이다. 2007년 한국기계연구원은 도시형 자기부상철도 실용화 계획을 발표,[260] 2012년 인천국제공항 자기부상철도로 완성되었으나, 잦은 문제로 2016년 2월 3일에 개통되었다.[261] 최고 속도 110km/h, 영업 속도 80km/h로 6.1km 구간을 운행한다.[262]

  • '''중국'''


2000년 독일제 트랜스라피드가 상하이 푸동국제공항 교통수단으로 채택, 2003년 상하이 트랜스라피드가 개업했다. 창사시(長沙市) 창사 중저속 자기부상선은 2016년 5월 6일,[256][257] 베이징 지하철(北京地下鉄) S1호선은 2017년 12월 30일에 개통되었다.[258]

  • '''미국'''


1970년대 Rohr사의 ROMAG 연구는 보잉 버틀에 인수되었다. 1990년대부터 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 인덕트랙 연구가 진행, 현재 제너럴 아토믹스사가 실용화 연구 중이다.

2. 3. 대한민국 자기부상열차 개발 연표


  • 1985년 대우중공업이 자기부상열차 개발에 착수하였다.
  • 1989년 한국기계연구원이 국책연구개발사업으로 자기부상열차 개발에 착수하였다.
  • 1989년 모형 무인자기부상열차 HML-01을 개발하였다.
  • 1991년 최초의 유인 자기부상열차 HML-02를 개발하였다. (8인승)
  • 1992년 시험용 모델인 DMV92를 개발하였다.
  • 1993년 일반인이 탑승 가능한 HML-03을 개발하였다. 1993년 대전엑스포 때 엑스포 행사장에 설치되어 일반 운행하였다. 독일 Krauss Maffei 사와 기술협력을 하였으며, 자중 25톤, 하중 3톤, 40인승이었다.[239]
  • 1997년 수동운행 방식인 UTM-01을 개발하였다. 대전 한국기계연구원 구내에 설치되었으며, 최대속도 110km/h, 정원 60명/량으로, 도시 경전철을 목표로 개발되었다. 한국기계연구원과 (주)로템이 공동개발하였다. (UTM은 Urban Transit Maglev의 약자로 '도시교통을 위한 자기부상열차'를 의미)
  • 2004년 자동운행 방식인 UTM-02를 개발하였다. 대전엑스포 행사장에 설치되었다.
  • 2005년 5월 한국기계연구원이 순수 토종기술로 개발된 자기부상열차, '마그레브(Maglev)'를 발표하였다.[297]
  • 2008년 1993년 대전엑스포 이후 일반 운행이 중단됐던 자기부상열차를 15년 만에 운행 시작하였다. (하루 16회 운행)[298][299][300]
  • 2020년 시속 550km의 초고속형 자기부상열차 상용화를 목표로 개발 중이다.[301]
  • 1993년 대전엑스포에서 독일 크라우스 마파이(Krauss-Maffei)사의 기술 지도를 받아 개발된 HML-03을 운행한 바 있으며, 2008년부터 현재까지 엑스포과학공원 내에서 1km 이내의 단거리이지만 국산 UTM-02가 운행되고 있다.
  • 2007년, 한국기계연구원은 2012년까지 6년간 총 4.5조원의 예산을 투입하여 도시형 자기부상식 철도를 실용화할 계획을 발표했다.[260] 이 계획은 2012년 인천국제공항 자기부상철도로 완성되었으나, 순수 국산 기술에 집착한 나머지 여러 문제가 발생하여 운행 개시가 여러 차례 연기되었고,[261] 2016년 2월 3일에 개통하였다. 2량 편성으로 1량당 정원은 135명이며, 설계 최고 속도는 110km/h, 영업 최고 속도는 80km/h로, 6개 역 6.1km 구간을 15분 만에 주행한다.[262] (부상 방식은 상전도 흡인식)
  • 2007년 당시 한국기계연구원은 2007년 중에 550km/h의 고속 리니어 모터카 연구 개발에 착수하여 2016년까지 개발하고 2020년에 상용화하고 싶다고 발표했으며,[220] 2016년 당시 한국 일부 언론에서는 "550km/h를 목표로 하는 SUMA550 시험 차량이 개발 완료되었다"고 보도되었으나,[263] 실제로는 1량이 매우 짧은 거리(150m)의 실험 선로를 저속으로 주행하는 데 그쳤다.[264]

3. 특징

자기부상열차의 주요 특징은 부상 및 추진 방식이 비접촉으로 이루어진다는 점이다.

버밍엄 국제 마그레브 셔틀


세계 최초의 상용 자기부상열차 시스템은 1984년부터 1995년까지 버밍엄 국제공항과 인근 버밍엄 국제 기차역을 오가는 저속 마그레브 셔틀이었다.[34] 선로 길이는 600m였으며, 열차는 전자석에 의해 15mm 높이로 부상했고, 선형 유도 전동기로 추진되었다.[35] 11년 동안 운행되었으며, 처음에는 승객들에게 매우 인기가 많았지만,[36] 수년이 지나면서 전자 시스템의 노후화 문제로 점차 신뢰성이 떨어졌다.[37]

자기부상열차는 바퀴, 베어링, 차축 등 바퀴 달린 철도 시스템에서 일반적인 요소에 거의 또는 전혀 의존하지 않는다.[94] 자기부상열차는 기존 철도에 비해 다음과 같은 특징을 가진다.

  • 속도: 기존 철도보다 더 높은 최고 속도를 허용한다.
  • 유지보수: 선로 및 차량 유지보수가 최소화된다.[94]
  • 날씨: 이론적으로 눈, 얼음, 혹한, 비 또는 강풍의 영향을 받지 않아야 한다. 그러나 아직까지 이처럼 혹독한 기후 조건에 설치된 자기부상열차 시스템은 없다.
  • 가속도: 비접촉식 시스템이기 때문에 선로의 미끄러움이나 경사도에 관계없이 기계식 시스템보다 더 빠르게 가속하고 감속한다.[94]
  • 선로: 기존 선로와 호환되지 않으므로 전체 노선에 맞춤형 인프라가 필요하다.
  • 효율성: 저속에서는 기존 철도가 더 효율적일 수 있지만, 고속에서는 자기부상열차가 구름저항이 없고 공기저항과 전자기 저항만 남아 잠재적으로 전력 효율이 높다.[95]
  • 질량: 많은 EMS 및 EDS 설계의 전자석은 톤당 1~2킬로와트가 필요하다.[96]
  • 중량 하중: 더 가볍고 무게를 더 고르게 분산시킨다.[97]
  • 소음: 주요 소음원이 레일과 바퀴의 접촉이 아닌 공기 변위이기 때문에, 동일한 속도에서 기존 열차보다 소음이 적다. 그러나 자기부상열차의 심리음향 프로필은 이러한 이점을 감소시킬 수 있다.[98][99][100]
  • 자석 신뢰성: 열차를 부상시키고 추진하는 강력한 자기장을 생성하는 데 일반적으로 초전도 자석이 사용된다.
  • 제어 시스템: 고속 자기부상열차에는 신호 시스템이 필요하지 않으며, 컴퓨터로 제어된다.
  • 지형: 더 높은 경사를 오를 수 있어 경로의 유연성이 향상되고 터널링이 감소한다.[101]


일반적으로 알려진 자기부상열차의 장점은 다음과 같다.

  • 고속화(이동 시간 단축)가 가능하다.
  • 풍절음(공기 저항)만 발생하여 소음이 적다.
  • 유지보수의 수고가 크게 줄어든다.


일반적으로 알려진 자기부상열차의 단점은 다음과 같다.

  • 에너지 소비가 증가하고, 온실가스, CO2 배출량 증가 등 환경 부하가 증가하거나 지속 가능성에 악영향을 미친다.
  • 비접촉 부상만으로도 전력을 소비한다.
  • 일반적으로 리니어 모터는 추진 효율이 기존 회전식 전동기보다 낮기 때문에 소비 전력이 더 많다.


자기부상식 철도 도입의 가장 큰 걸림돌은 궤도 건설 등 초기 투자가 막대하다는 것이다.

3. 1. 비접촉 추진

자기부상열차는 바퀴와 같은 전달 부분을 필요로 하지 않는다. 특히 철도에서는 바퀴와 레일의 마찰 계수가 매우 낮아 가속 및 제동 시나 경사면 등판 성능에 한계가 있었다. 그러나 자기부상열차는 가속·제동 성능의 대폭 향상이 기대된다[294].

비접촉 상태로 추진력을 얻는 수단으로는, 부상용 자석과 추진용 자석을 겸용할 수 있는 리니어 모터에 의한 구동이 일반적이다. 로켓, 제트 엔진, 프로펠러 등을 이용할 수도 있지만, 실제 영업 운전을 고려했을 경우 소음 문제로 현실적인 해결책이 아니다.

3. 2. 비접촉 부상

자기부상열차는 부상 및 추진이 비접촉으로 이루어진다는 특징이 있다. 완전 비접촉 구성에서는 소음원이 공기저항밖에 없게 되어 소음과 진동이 감소한다. 또한, 유지보수 수요가 크게 줄어든다.[24] 이러한 특징 덕분에 자기부상열차는 기존 철도에 비해 고속 주행 및 저소음, 저진동을 실현하여 환경 부하를 줄일 수 있다.

3. 3. 장점과 단점

자기부상열차 기술은 다양한 구현 방식에 따라 각각 다른 장단점을 가진다.[79]

기술장점단점
EMS(전자기 부상)[80][81]차량 안팎의 자기장이 EDS보다 약함; 검증된 상용 기술; 고속(약 500km/h) 운행 가능; 바퀴나 보조 추진 시스템 불필요.전자기적 인력의 불안정한 성질 때문에 차량과 가이드웨이 사이 간격을 지속적으로 감시 및 보정해야 함; 시스템의 고유한 불안정성과 외부 시스템에 의한 지속적인 보정은 진동 유발 가능.
EDS(전동 부상)[82][83]차량 내 자석과 레일 사이 큰 간격으로 최고 속도 기록(약 603km/h) 및 높은 적재량 가능; 차량 내 자석에 고온 초전도체 사용으로 성공적인 운영 시연, 저렴한 액체 질소로 냉각 가능.열차의 강한 자기장은 인공 심박 조율기 사용자나 하드 드라이브 및 신용카드와 같은 자기 데이터 저장 매체에 안전하지 않아 자기 차폐 필요; 가이드웨이 인덕턴스의 제한으로 최대 속도 제한; 저속 주행 시 바퀴 필요.
Inductrack 시스템[84][85] (영구 자석 수동 부상)안전한 현가장치—자석 작동에 전력 불필요; 자기장은 차량 아래에 국한; 저속(약 5km/h)에서도 부상에 충분한 힘 생성; 정전 시 안전하게 정지; 할바흐 배열 영구 자석이 전자석보다 비용 효율적일 수 있음.정지 시 바퀴나 움직이는 선로 구간 필요. 2008년 기준 개발 중; 상용 버전이나 전체 규모 시제품 없음.



Inductrack이나 초전도 EDS는 정지 상태에서 차량을 부상시킬 수 없지만, Inductrack은 훨씬 낮은 속도에서 부상을 제공하므로 이러한 시스템에는 바퀴가 필요하다. 반면 EMS 시스템은 바퀴가 없다.

독일의 트랜스래피드(Transrapid), 일본의 HSST(리니모), 한국의 로템 EMS 자기부상열차는 정지 상태에서 부상한다. 이 중 로템과 HSST 시스템은 가이드웨이에서 전력 레일을 통해 전력을 공급받는 반면, 트랜스래피드는 무선으로 전력을 공급받는다. 만약 주행 중 가이드웨이 전력 공급이 끊기면, 트랜스래피드는 차량 내 배터리의 전력을 사용하여 10km/h 속도까지 부상을 유지할 수 있지만, HSST와 로템 시스템은 그렇지 않다.

마그레브 열차의 에너지는 열차 가속에 사용된다. 재생 제동을 통해 열차가 감속할 때 에너지를 회수할 수 있다. 또한 열차 부상과 안정적인 주행에도 에너지가 사용된다. 에너지의 대부분은 공기 저항을 극복하는 데 사용되며, 일부는 냉난방, 조명 및 기타 부수적인 용도로 사용된다.

저속에서는 부상에 사용되는 전력의 비율이 상당할 수 있으며, 지하철이나 경전철 서비스보다 최대 15% 더 많은 전력을 소모할 수 있다.[92] 단거리 노선에서는 가속에 사용되는 에너지가 상당할 수 있다.

공기 저항을 극복하는 데 사용되는 힘은 속도의 제곱에 비례하여 증가하므로 고속에서는 지배적인 요소가 된다. 단위 거리당 필요한 에너지는 속도의 제곱에 비례하여 증가하고, 시간은 선형적으로 감소한다. 그러나 전력은 속도의 세제곱에 비례하여 증가한다. 예를 들어, 400km/h로 주행하는 데 필요한 전력은 300km/h로 주행하는 데 필요한 전력보다 2.37배 많지만, 항력은 원래 힘의 1.77배 증가한다.[93]

자기부상열차는 비접촉식 전기 구동 방식으로, 바퀴, 베어링, 차축 등 바퀴 달린 철도 시스템에서 일반적인 요소에 거의 또는 전혀 의존하지 않는다.[94]


  • '''속도:''' 자기부상열차는 기존 철도보다 더 높은 최고 속도를 허용한다. 실험적인 바퀴식 고속철도가 유사한 속도를 보여주었지만, 기존 열차는 바퀴와 선로 사이의 마찰로 인해 속도가 높아짐에 따라 유지보수 비용이 증가하는 반면, 자기부상열차는 이러한 문제가 없다.
  • '''유지보수:''' 현재 운영 중인 자기부상열차는 최소한의 선로 유지보수가 필요함을 보여주었다. 차량 유지보수 또한 최소화된다 (운행 시간을 기준으로 하며, 속도 또는 주행 거리에 따르지 않음). 기존 철도는 속도가 빨라짐에 따라 기계적 마모가 빠르게 증가하여 유지보수 비용이 증가한다.[94] 예를 들어, 브레이크 마모와 가선 마모는 Fastech 360 신칸센 철도에 문제를 일으켰다. 자기부상열차는 이러한 문제를 없앨 수 있다.
  • '''날씨:''' 이론적으로 자기부상열차는 눈, 얼음, 혹한, 비 또는 강풍의 영향을 받지 않아야 한다. 그러나 아직까지 이처럼 혹독한 기후 조건에 설치된 자기부상열차 시스템은 없다.
  • '''가속도:''' 자기부상열차는 비접촉식 시스템이기 때문에 선로의 미끄러움이나 경사도에 관계없이 기계식 시스템보다 더 빠르게 가속하고 감속한다.[94]
  • '''선로:''' 자기부상열차는 기존 선로와 호환되지 않으므로 전체 노선에 맞춤형 인프라가 필요하다. 반면, TGV와 같은 기존 고속열차는 속도가 감소하더라도 기존 철도 인프라에서 운행할 수 있으므로, 새로운 인프라가 특히 비용이 많이 드는 경우 (예: 도시 터미널에 대한 최종 접근 방식) 또는 교통량이 새로운 인프라를 정당화하지 않는 연장선에서 비용을 절감할 수 있다. 미국 연방철도청의 전 자기부상열차 최고 과학자였던 존 하딩은 별도의 자기부상열차 인프라가 모든 날씨에서의 높은 운영 가용성과 최소한의 유지보수 비용으로 그 자체 이상의 가치를 제공한다고 주장했다. 이러한 주장은 아직 집중적인 운영 환경에서 증명되지 않았으며, 자기부상열차 건설 비용 증가는 고려하지 않았다. 그러나 중국과 같은 국가에서는 일부 주요 기존 고속철도 터널/교량을 자기부상열차로 업그레이드할 수 있는 표준으로 건설하는 방안이 논의되고 있다.
  • '''효율성:''' 기존 철도는 저속에서는 더 효율적일 가능성이 있다. 그러나 선로와 차량 사이의 물리적 접촉이 없기 때문에 자기부상열차는 구름저항이 없고 공기저항과 전자기 저항만 남아, 잠재적으로 전력 효율을 향상시킬 수 있다.[95] 그러나 중앙일본철도회사 SCMaglev과 같이 저속에서 고무 타이어를 사용하는 일부 시스템은 효율성 향상을 감소시킨다.
  • '''질량:''' 많은 EMS 및 EDS 설계의 전자석은 톤당 1~2킬로와트가 필요하다.[96] 초전도 자석을 사용하면 전자석의 에너지 소비량을 줄일 수 있다. 50톤의 트랜스래피드 자기부상열차는 추가로 20톤을 들어 올릴 수 있어 총 70톤이 되며, 이는 에서 를 소모한다. TRI의 에너지 사용량 대부분은 추진력과 100mph 이상의 속도에서 공기 저항을 극복하는 데 사용된다.
  • '''중량 하중:''' 고속철도는 집중된 바퀴 하중을 위해 더 많은 지지대와 건설이 필요하다. 자기부상열차는 더 가볍고 무게를 더 고르게 분산시킨다.[97]
  • '''소음:''' 자기부상열차의 주요 소음원은 레일과 바퀴의 접촉이 아닌 공기 변위이기 때문에, 동일한 속도에서 기존 열차보다 소음이 적다. 그러나 자기부상열차의 심리음향 프로필은 이러한 이점을 감소시킬 수 있다. 한 연구에 따르면 자기부상열차 소음은 도로 교통처럼 평가되어야 하지만, 기존 열차는 동일한 소음 수준에서 5~10dB의 "보너스"를 경험하며, 덜 불쾌하게 느껴진다.[98][99][100]
  • '''자석 신뢰성:''' 열차를 부상시키고 추진하는 강력한 자기장을 생성하는 데 일반적으로 초전도 자석이 사용된다. 이러한 자석은 임계 온도 이하로 유지되어야 한다(재료에 따라 4.2K~77K 범위임). 초전도체와 냉각 시스템의 새로운 합금 및 제조 기술은 이 문제를 해결하는 데 도움이 되었다.
  • '''제어 시스템:''' 고속 자기부상열차에는 신호 시스템이 필요하지 않다. 이러한 시스템은 컴퓨터 제어되기 때문이다. 사람 조작자는 고속 열차를 관리할 만큼 빠르게 반응할 수 없다. 고속 시스템에는 전용 통행로가 필요하며 일반적으로 고가로 설치된다. 두 개의 자기부상열차 시스템 마이크로웨이브 타워는 열차와 지속적으로 접촉한다. 기차 경적도 필요하지 않다.
  • '''지형:''' 자기부상열차는 더 높은 경사를 오를 수 있어 경로의 유연성이 향상되고 터널링이 감소한다.[101]


자기부상열차는 부상과 추진을 비접촉 방식으로 할 수 있다는 특징이 있다.

일반적으로 알려진 장점은 다음과 같다.

  • 고속화(이동 시간 단축)가 가능하다.
  • 완전 비접촉 구조를 채택하면 소음의 원인은 풍절음(공기 저항)만 발생한다.
  • 기존 바퀴 구동을 위한 감속기가 불필요하며, 궤도에 가해지는 축중이 가볍기 때문에 궤도 구조는 기존 철도처럼 높은 강도를 필요로 하지 않아 유지보수의 수고가 크게 줄어든다.


일반적으로 알려진 단점은 다음과 같다.

  • 철도 고속화에 따라 에너지 소비가 증가하고, (온실가스, CO2 배출량 증가) 환경 부하가 증가하거나 지속 가능성에 악영향을 미친다.
  • 비접촉 부상만으로도 전력을 소비한다.(철궤도 방식이라면 정지 상태에서는 기본적으로 에너지를 소비하지 않는다.)
  • 일반적으로 리니어 모터는 궤도 1차식, 차상 1차식을 불문하고, 동일 속도의 경우 추진 효율이 기존 회전식 전동기보다 낮기 때문에 소비 전력은 회전식 전동기보다 많다. 궤도 상의 계자를 여자할 필요가 있는 지상 1차식 리니어 모터의 경우에는 현저하게 나타난다.


자기부상식 철도 도입의 가장 큰 걸림돌은 궤도 건설 등 초기 투자가 막대하다는 것이다.

4. 원리

자기부상열차의 핵심 기술은 크게 부상, 안내, 추진(구동) 세 가지로 분류할 수 있다.

자기부상열차는 바퀴 대신 자력을 이용해 열차를 선로 위에 부상시켜 움직이는 열차이다. 이러한 방식은 마찰을 줄여 고속 주행을 가능하게 한다.

자기부상 방식은 상전도 방식, 초전도 방식, 영구자석 방식으로 나뉜다. 상전도 방식은 일반적인 전자석을, 초전도 방식은 초전도 전자석을 사용한다. 영구자석 방식은 영구자석을 사용하지만, 반발력이 약해 초전도 방식이 주로 사용된다.
부상 방식은 자석 또는 코일의 설치 방법에 따라 다음과 같이 분류된다.


  • 반발 부상 방식
  • 측면 부상 방식 (유도 전류에 의한 흡인 반발 병용 방식)
  • 흡인 방식

전자기 작용에 의한 분류는 다음과 같다.

  • 영구 자석, 전자석 상호 간의 흡인·반발을 이용하여 부상
  • 이동하는 자석과 코일 내에서 발생하는 전자기 유도 작용에 발생하는 기자력에 의한 흡인·반발을 이용하여 부상
  • 자석과 철 등의 자성체 사이에 작용하는 흡인력을 이용하여 부상
  • 반자성의 초전도체에 의한 마이스너 효과를 이용한 자기 부상

리니어 모터는 회전형 모터를 직선으로 펼친 형태로, 자기부상열차의 추진에 사용된다. 선형동기 전동기(LSM)와 선형유도 전동기(LIM) 두 가지 종류가 있다.

자기부상열차는 궤도와 접촉하지 않기 때문에 마찰력이 작용하지 않지만, 공기 저항(풍절음)과 같은 요인들이 추진 시 저항으로 작용한다.
장점

  • 소음 및 진동 저감: 완전 비접촉 구조로 소음의 원인이 풍절음(공기 저항)뿐이다.
  • 유지보수 감소: 궤도에 가해지는 부담이 적어 유지보수가 용이하다.

단점

  • 소비 에너지 증가: 비접촉 부상만으로도 전력을 소비하며, 리니어 모터는 기존 회전식 전동기보다 효율이 낮아 소비 전력이 많다.

4. 1. 부상

자기부상열차의 핵심 기술인 부상 방식은 상전도 방식, 초전도 방식, 영구자석 방식으로 나눌 수 있다.

  • '''탄젠트 전자석 흡인식'''


일반적인 전자석을 사용하며, 전자석의 흡인력으로 지상에서 1cm 정도 레일면으로 끌어당겨 부상한다. 차체에 부착된 센서와 컴퓨터가 레일과 차체 간 거리를 수시로 조정한다. 고속에서는 정밀한 조정이 불가능하여 중저속형에 주로 사용된다.[295]

열차에 초전도 전자석을 설치하여 차량의 지지와 추진에 사용하며, 부상 높이는 일반적으로 10cm 정도이다. 제어가 비교적 간단하여 초고속형에 주로 사용되지만, 초전도 상태 유지를 위해 코일을 액체 헬륨 등으로 지속적으로 초저온 상태로 냉각해야 한다.

  • '''영구자석 반발식'''


열차와 레일에 영구자석을 설치하여 부상하는 방식이지만, 반발력이 약해 초전도 방식을 주로 사용한다.

자석 또는 코일의 설치 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

  • 반발 부상 방식
  • 측면 부상 방식 (유도 전류에 의한 흡인 반발 병용 방식)
  • 흡인 방식


반발 부상 및 측면 부상 방식은 차량의 자석의 자력 강도와 설치하는 자석 또는 코일의 위치 관계에 따라 부상량이 자연스럽게 결정된다. 흡인 방식은 흡인력이 작용하는 동안 갭이 줄어들면 부상력이 증가하는 관계이므로, 부상량을 일정하게 유지하기 위해 전자석 등으로 흡인력을 제어해야 한다.

전자기 작용에 의해 다음과 같은 분류 방법도 가능하다.

  • 영구 자석, 전자석 상호 간의 흡인·반발을 이용하여 부상
  • 이동하는 자석과 코일 내에서 발생하는 전자기 유도 작용에 발생하는 기자력에 의한 흡인·반발을 이용하여 부상
  • 자석과 철 등의 자성체 사이에 작용하는 흡인력을 이용하여 부상
  • 반자성의 초전도체에 의한 마이스너 효과를 이용한 자기 부상


실용적인 자기 부상 철도에서, 자석 상호 간 흡인 또는 반발을 이용하는 부상 방법은 궤도와 차량 양쪽에 자석을 설치하는 것은 비용 및 유지보수 측면에서 어렵다. 따라서 기술·경제적으로 채택 가능한 것은 다음 두 가지이다.

차량 측에 전자석을 설치하고, 선로 측에 폐루프 코일을 나란히 배치한다. 차량이 선로 위를 주행하면 코일에는 전자기 유도 작용으로 전류가 흐르고, 자기장이 발생한다. 결과적으로, 차량의 전자석과 선로의 코일 사이에 차체를 지지하는 힘이 발생한다. 선로 측의 코일을 선로면에 배치하면 반발 부상 방식이 된다.

측면에서 측면 부상 방식의 구성도 가능하다. 장점은 차량의 부상량을 설계로 임의로 정할 수 있고, 전자기 흡인 지지 방식보다 큰 부상량을 얻을 수 있다는 것이다. 단점은 정지 또는 저속 주행 시 충분한 부상력을 얻을 수 없어 바퀴 등으로 지지해야 하고, 차량 측에 초강력 전자석이 필요하다는 점이다.

4. 2. 가속

자기부상열차는 직선운동을 통해 가속하며, 이러한 직선운동을 하는 전동기를 직선형 전동기(Linear Motor)라고 부른다. 직선형 전동기는 선형동기 전동기(LSM, Linear Synchronous Motor)와 선형유도 전동기(LIM, Linear Induction Motor) 두 가지 종류가 있다.[294]

  • 선형동기 전동기(LSM): 동기형 직선형 전동기라고도 부르며, 회전형 전동기의 동기기, 직류기와 같다. 빠른 속도를 요구할 때 주로 사용된다.
  • 선형유도 전동기(LIM): 비동기형 직선형 전동기라고도 부르며, 회전형 전동기의 유도 전동기와 같다. 중저속형에 주로 사용된다.


직선형 전동기는 원리적으로 회전형 전동기와 다르지 않다. 지상 코일에 보낸 전류의 방향을 계속 반전시키면 차량에 내장된 자석을 끌고 가듯 한쪽 방향으로 움직이게 된다.

4. 3. 감속

자기부상열차의 감속 방식은 일반 열차와 크게 다르지 않다. 주로 다음과 같은 세 가지 방식이 사용된다.

  • '''전기브레이크''': 운동에너지를 전기에너지 형태로 흡수하는 방식이다. 가장 간단하면서도 자기부상열차에 적합한 브레이크이다.
  • '''에어브레이크''': 공기저항력을 이용해 감속하는 방식이다.
  • '''마찰브레이크''': 땅과의 마찰력을 이용해 감속하는 방식이다.

5. 기술 분류

자기부상열차는 기술 방식에 따라 다양하게 분류된다. 자기부상열차는 궤도와의 마찰이 없지만, 추진 시에는 다음과 같은 두 가지 저항이 작용한다.


  • 공기 저항: 공기 저항은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 고속 주행 시 큰 문제가 된다. 따라서 차량 디자인은 공기역학적으로 정교해야 한다.
  • 자기 저항: 자기장 속을 이동하는 도체에는 전자기 유도에 의해 유도 전류가 발생하고, 이는 자기장에 저항하는 힘을 발생시킨다. 자기부상열차에서는 공기 저항에 비해 작지만, 강력한 초전도 전자석을 사용하고 고속으로 이동하는 경우에는 무시할 수 없다.

5. 1. 전자기 유도 부상 지지 방식

차량에 전자석을 설치하고, 선로 측에 폐루프 코일을 나란히 배치하여 차량이 선로 위를 주행할 때 코일에 전자기 유도 작용으로 전류가 흐르게 하는 방식이다. 이 전류에 의해 자기장이 발생, 결과적으로 차량의 전자석과 선로의 코일 사이에 차체를 지지하는 힘이 발생한다. 선로 측의 코일을 선로면에 배치하면 반발 부상 방식의 구성이 된다.

측면 부상 방식의 구성도 가능하다. 장점은 차량의 부상량을 설계에 따라 임의로 정할 수 있고, 결과적으로 후술하는 전자기 흡인 지지 방식보다 큰 부상량을 얻을 수 있다는 것이다. 단점은 정지 또는 저속 주행 시에는 충분한 부상력을 얻을 수 없어 바퀴 등으로 지지해야 하며, 차량 측에 초강력 전자석이 필요하다는 점이다.

5. 2. 전자기 흡인 지지 방식

차량에 부상 전자석을 설치하고, 궤도에 철 레일을 사용하여 흡인력을 이용하는 방식이다. 최근에는 희토류 자석을 사용한 방식도 연구되고 있다.[295] 일반적인 전자석이 사용되며 전자석에 의한 흡인력에 의해 지상에서 1센티미터 정도 레일 면으로 끌어당겨 부상한다. 이때에는 차체에 부착된 센서와 컴퓨터가 수시로 레일과 차체 간의 거리를 조정한다. 고속에서는 정밀하게 조정이 불가능하므로, 중저속형에 주로 사용된다.[295]

5. 3. 추진 방식

자기부상열차는 직선운동을 통해 가속하며, 직선형 전동기(Linear Motor)를 사용한다. 이는 회전형 전동기를 직선으로 펼친 형태로, 원리적으로는 회전형 전동기와 유사하다. 지상 코일에 전류 방향을 반전시켜 차량 내 자석을 끌어당기는 방식으로 작동한다.

  • 선형동기 전동기(LSM, Linear Synchronous Motor): 동기형 직선형 전동기로, 회전형 전동기의 동기기, 직류기와 유사하다. 빠른 속도에 적합하다.
  • 선형유도 전동기(LIM, Linear Induction Motor): 비동기형 직선형 전동기로, 회전형 전동기의 유도전동기와 유사하다. 중저속형에 주로 사용된다.


리니어 모터는 1차(전기자) 측과 2차(계자) 측에서 병진력을 얻는다. 자기부상열차는 비접촉 방식이므로 무정류자 구조의 교류 모터가 유리하며, 주로 리니어 동기 모터 또는 리니어 유도 모터가 사용된다.

유도 전동기는 1차 측에 코일을, 2차 측에 도체판(반응판)을 설치한다. 도체판 내부에 발생하는 와전류와 자기장의 반발력을 이용해 추진력을 얻는다. 구조는 단순하지만 에너지 효율이 낮다.

선형 유도 전동기는 차상 1차식과 지상 1차식 모두 가능하지만, 궤도에 도체판만 설치하면 되는 차상 1차식이 일반적이다. 반응판과 1차 코일 배치 방식에는 단측 여기식과 양측 여기식이 있으며, 양측식이 효율은 높지만 궤도 배치에 고려가 필요하다.

5. 4. 기타 기술

자기부상열차는 비접촉 상태로 추진력을 얻기 위해 리니어 모터를 사용한다. 로켓, 제트 엔진, 프로펠러 등도 사용할 수 있지만, 소음 문제로 인해 상용화에는 적합하지 않다. 자기부상열차는 궤도와의 마찰이 없지만, 다음과 같은 두 가지 저항이 발생한다.

  • 공기 저항


공기 저항은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 고속 주행 시 큰 문제가 된다. 따라서 차량 디자인은 공기역학적으로 정교해야 한다. 스위스메트로와 같은 일부 구상에서는 감압된 터널 내부를 주행하는 방식을 채택하기도 한다. 중화인민공화국에서는 미국의 기술을 바탕으로 진공 튜브 내에서 리니어 모터카를 주행시키는 연구를 진행 중인데, 이는 여객 수송뿐 아니라 우주 개발이나 군사적 목적으로도 활용될 가능성이 있다.[225]

  • 자기 저항


자기장 속을 이동하는 도체에는 전자기 유도에 의해 유도 전류가 발생하고, 이는 자기장에 저항하는 힘을 발생시킨다. 자기부상열차에서는 공기 저항에 비해 작지만, 강력한 초전도 전자석을 사용하고 고속으로 이동하는 경우에는 무시할 수 없다. 일반적인 철교나 철근 콘크리트는 자기 저항을 발생시킬 수 있으므로, 저자성 또는 비자성 재료를 사용해야 하는 경우도 있다. 다만, HSST나 트랜스래피드와 같은 흡인식 자기 부상의 경우에는 누설 자기장이 적어 구조물에 자성체를 사용해도 문제가 없다.

6. 국가별 기술 비교

구분독일일본한국미국중국
연구 시작1969년1962년1989년1995년2000년
초고속형 속도450km/h603km/h550km/h(목표)900km/h(목표)
초고속형 방식상전도 흡인식, LSM초전도 반발식, LSM상전도 흡인식, LSM인덕트랙상전도 흡인식, LSM
개발 단계개발 완료개발 완료(시운전)개발 목표개발 완료(시운전 예정)
초고속형 실용화트란스라피드주오 신칸센(예정)이름 미정
중저속형 속도100km/h110km/h100km/h100km/h
중저속형 방식상전도 흡인식, LIM상전도 흡인식, LIM영구자석 반발식, LSM상전도 흡인식, LIM
개발 단계개발 완료개발 완료2009년 개발 목표개발 완료
중저속형 실용화리니모인천공항 자기부상철도(2016년 2월 3일 개통, 6.1km)

[296]

7. 경제성

자기부상열차는 초기 건설 비용이 많이 들지만, 운영 및 유지보수 비용은 상대적으로 저렴하다. 특히, 모노레일이나 신교통시스템과 같이 고무 타이어 방식의 교통 기관과 비교했을 때, 타이어와 같은 소모품 교체 비용이 적게 들어 유지보수 비용이 절감된다.[107] 또한, 기존 철차륜식 철도 차량과 비교했을 때 축중이 분산되어 가볍기 때문에 궤도에 대한 부담이 적고, 마모 걱정이 없어 장기적으로는 유지비가 저렴해진다는 추산도 있다. 반면, 동일 속도에서 단위 수송량당 리니어 모터의 전력 소비는 기존 회전형 전동기보다 많을 수 있다는 추산도 있다.[95]

일본의 리니모 HSST는 건설 비용이 약 1억달러/km였다.[107]

8. 관련 사건 및 사고

1991년 일본 미야자키의 시험 열차 MLU002가 화재로 완전히 소실되었다.[215]

2006년 8월 11일, 상하이 자기부상열차가 롱양 종착역에 도착한 직후 화재가 발생했다. 승객들은 사고 없이 대피했으며, 차량은 역에 연기가 차는 것을 막기 위해 약 1km 이동되었다. 화재 원인은 배터리 트레이의 "열폭주"로 밝혀졌다.[215]

2006년 9월 22일, 독일 라텐에서 자기부상열차가 정비 차량과 충돌하는 사고가 시험/홍보 운행 중 발생했다.[216][217] 이 사고로 23명이 사망하고 10명이 부상을 입었으며, 이는 최초의 자기부상열차 충돌 사망 사고였다. 사고 원인은 인적 오류로 밝혀졌으며, 1년간의 조사 후 세 명의 트랜스래피드 직원이 기소되었다.[218]

9. 상용화 현황 및 계획



현재 상용화된 자기부상열차 노선은 일본, 중국, 대한민국 등에서 운영 중이다.


  • '''일본'''


L0계열 열차는 중앙일본철도회사(JR Central)에서 중앙 신칸센 노선 운행을 위해 시험 중이다. 2015년 4월 21일 603km/h의 유인 세계 최고 속도 기록을 세웠다.[108] 최고 시속 505km/h로 운행될 예정이며,[140] 도쿄(시나가와 역)와 나고야 간은 40분, 도쿄와 오사카(신오사카 역) 간은 1시간 7분이 소요될 예정이다.[141]

중앙 신칸센(Chūō Shinkansen)은 초전도 리니어 방식의 고속 자기부상열차 노선이다. 2014년에 건설이 시작되어 2027년까지 영업 운행을 시작할 예정이었으나,[134] 2020년 7월 목표가 연기되었다.[135] 도쿄와 아이치현 나고야를 거쳐 오사카를 약 1시간 만에 연결하는 것을 목표로 한다. 이는 세 대도시를 연결하는 기존 최고속 신칸센보다 절반 이하의 여행 시간이다.[136] 도쿄와 오사카 간 전체 구간은 원래 2045년에 완공될 예정이었으나, 운영사는 현재 2037년을 목표로 하고 있다.[137][138][139]

  • '''중국'''


상하이 트랜스라피드(독일제)가 상하이 푸동국제공항의 연결 수단으로 상설 실용선으로서는 세계에서 3번째로 개업하였다. 영업 최고 속도는 430km/h이다.

창사 중저속 자기부상선 건설 공사는 2014년 5월에 시작되어 2016년 5월 6일에 개통되었다.[256][257]

2017년 12월 30일, 중국에서 세 번째 자기부상식 철도인 베이징 지하철의 10.2km S1호선이 개통되었다.[258] S1호선은 국방기술대학에서 개발한 기술을 채용한 흡인식 자기부상철도이다. 2011년 2월 28일 건설이 시작되었으며, 최고 속도는 105km/h이다.[259]

칭위안 자기부상열차 관광 노선은 중국 광둥성 칭위안에 있는 중저속 자기부상열차 노선이다. 이 노선은 최고 시속 100km/h로 운행될 예정이다.[142] 1단계 구간은 8.1km이며, 역 3개(추가 예정인 역 1개 포함)가 있다.[142] 1단계 구간은 원래 2020년 10월에 개통될 예정이었으며,[143] 광저우-칭위안 고속철도의 잉전역과 칭위안 치멀롱 테마파크를 연결할 것이다.[144] 장기적으로는 노선 길이가 38.5km가 될 것이다.[145]

봉황 자기부상열차는 중국 후난성 샹시 투자족 먀오족 자치주 봉황현에 있는 중저속 자기부상열차 노선이다. 이 노선은 최고 시속 100km/h로 운행된다. 1단계 구간은 9.12km이며 4개의 역이 있으며 (추후 2개 역이 추가될 예정이다). 1단계 구간은 2022년 7월 30일에 개통되었으며,[132] 장가계-지서우-화이화 고속철도의 봉황고성역을 봉황 민속원과 연결한다.[133]

  • '''대한민국'''


1993년 대전엑스포에서 독일 크라우스 마파이(Krauss-Maffei)사의 기술 지도를 받아 개발된 HML-03을 운행한 바 있으며, 2008년부터 현재까지 엑스포과학공원 내에서 1km 이내의 단거리이지만 국산 UTM-02가 운행되고 있다.

2007년, 한국기계연구원은 2012년까지 6년간 총 4500억 원의 예산을 투입하여 도시형 자기부상식 철도를 실용화할 계획을 발표했다.[260] 이 계획은 2012년 인천국제공항 자기부상철도로 완성되었으나, 순수 국산 기술에 집착한 나머지 여러 문제가 발생하여 운행 개시가 여러 차례 연기되었고,[261] 2016년 2월 3일에 개통하였다. 2량 편성으로 1량당 정원은 135명이며, 설계 최고 속도는 110km/h, 영업 최고 속도는 80km/h로, 6개 역 6.1km 구간을 15분 만에 주행한다.[262] 부상 방식은 상전도 흡인식이다.

2007년 당시 한국기계연구원은 2007년 중에 550km/h의 고속 리니어 모터카 연구 개발에 착수하여 2016년까지 개발하고 2020년에 상용화하고 싶다고 발표했으며,[220] 2016년 당시 한국 일부 언론에서는 "550km/h를 목표로 하는 SUMA550 시험 차량이 개발 완료되었다"고 보도되었으나,[263] 실제로는 1량이 매우 짧은 거리(150m)의 실험 선로를 저속으로 주행하는 데 그쳤다.[264]

10. 기타

타카라토미는 2015년, 일본의 자기부상식 철도인 「초전도리니어」를 모델로 한 세계 최초의 레일토이 「리니어라이너」를 발매했다.[259] 자기부상식 철도와 마찬가지로 자석으로 부상·주행하지만, 실제 초전도리니어와는 기구가 다르다.

참조

[1] 웹사이트 Japanese Maglev Train: World's Fastest Bullet Train – JRailPass https://www.jrailpas[...] 2022-07-18
[2] 웹사이트 Magnetic Levitation – an overview | ScienceDirect Topics https://www.scienced[...] 2022-07-18
[3] 논문 A prototype of an energy-efficient MAGLEV train: A step towards cleaner train transport 2021
[4] 웹사이트 Will maglev ever become mainstream? https://www.railway-[...] 2021-06-04
[5] 뉴스 Japan's maglev train breaks world speed record with 600km/h test run https://www.theguard[...] Guardian News and Media Limited 2015-04-21
[6] 웹사이트 Everything about Shanghai Maglev Train: Speed, Station, Map, Ticket & Price, Facts... https://www.chinadis[...] 2023-11-19
[7] 논문 The Most Important Maglev Applications 2013-03-27
[8] 웹아카이브 Transrapid http://www.transrapi[...]
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