고속열차 주행장치, 30% 경량화…에너지 효율 높였다

- 철도硏, 열차 하부 감싸 공기저항을 줄이고, 경량화하는 기술 개발

캡슐형 대차시스템을 적용한 고속열차 예상도.[한국철도기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국철도기술연구원은 고속열차의 운영속도를 높이면서도 공기저항을 줄이고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 ‘신개념 대차시스템’을 개발하고 있다.

국제 에너지 비용의 상승으로 지난 10년간 국내 철도 전력 단가도 72%나 증가했으며, 이에 따라 철도 운영사들의 에너지소비 절감 요구가 그 어느 때보다 커졌다. 특히 고속철도 차량의 에너지 사용을 줄이기 위해서는 차량의 경량화와 공력 저항 저감이 필수적이다.

철도차량의 주행장치인 대차는 전체 차량 중량의 30%를 차지하며 주행저항의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다. 따라서 대차는 경량화와 소형화의 효과가 가장 큰 핵심 부품이다.

철도연이 개발 중인 신개념 대차시스템의 핵심은 차량 경량화와 공기저항을 줄이기 위한 설계다. 열차의 전두부형상을 최적화하고, 열차 하부를 밀폐한 ‘캡슐형 대차시스템’을 적용했다.

캡슐형 대차시스템 경량화를 위해 대차 프레임은 기존에는 박스형(ㅁ-형) 프레임이 아닌, I-형 단면 구조 적용과 최적화 설계를 통해 기존 EMU 대차 프레임 대비 29.5% 경량화 설계를 달성하면서 시뮬레이션을 통해 개선된 구조의 안전성을 확인했다.

추진시스템은 소형화·경량화를 위해 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM) 구조를 적용하여 고출력·고효율을 달성했다. 기존 유도전동기 대비 효율이 높고, 동일 출력에서도 크기를 줄일 수 있어 소형화에 유리하다. 구조가 단순해 유지보수가 쉽고, 작동 시 소음과 진동도 적다. 국내 전동차에는 적용된 사례가 있으나, 고속열차에는 아직 도입되지 않았다.

제동시스템은 그동안 철도차량에 적용되던 공압제어시스템 대신 전기기계 제어 방식을 적용해 소형화했다. 하부 구조를 밀폐할 경우 발열 문제가 발생할 수 있는 점을 고려해 브레이크 냉각시스템을 설계했고, 열/유동 해석 결과 밀폐된 공간에서도 발열에 의한 문제는 나타나지 않았다.

기존대차모델(왼쪽)과 캡슐형대차모델.[한국철도기술연구원 제공]

동력전달장치에는 견인전동기와 감속기 사이의 연결 구조를 더 작고 간단하게 개선했다.

철도연은 주요 장치를 설계하고 성능을 분석하여, 전체 캡슐형 대차시스템의 해석모델을 개발했다. 이를 통해 탈선 안전도, 승차감, 진동 특성 등 다양한 항목에 대한 해석 결과를 도출했다. 특히 실제 주행 상황을 반영한 마모 차륜 조건에서도 임계속도 550km/h를 초과하여 유럽 주행성능과 승차감을 규정하는 표준 규격인 EN 14363 및 EN 12299 기준을 만족하여 안정적인 고속 주행 능력을 입증했다.

최성훈 철도연 철도차량본부장은 “향후 캡슐형 고속대차 핵심기술이 고속열차에 활용되면 차량하부 밀폐를 통한 공기저항과 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다”고 밝혔다.

사공명 철도연 원장은 “캡슐형 대차 기술은 유럽 등에서 강화되는 철도차량의 에너지소비 규제에 대응하고, 국내 고속열차 전력소비 비용상승에 대비할 수 있는 기술”이라며 “국내외 고부가가치 철도차량 시장 진출을 이끄는 철도연이 되겠다”고 전했다.