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기획특집/연재

N700S계 제7대 차세대 신칸센의 우수기술

안 보이는 부분에 획기적으로 개선

   (서울:레일뉴스)최경수 편집위원 = R 도카이(東海)는 3월 10일, 도카이도 신칸센(東海道新幹線)의 하마마츠 공장(浜松工場)에서 차세대 도카이도 신칸센 차량으로 규정하는 N 700S계 신칸센(新幹線) 확인시험 차(確認試驗車)를  최초로 16량 편성상태에서 보도진에게 공개하였다.


   공장 구내의 짧은 거리지만 주행하는 모습을 선 보이는 것도 처음이었다. 이보다 이전, 지난해 10월 1일에 일본차량 토요카와(豐川) 제작소에서 제조과정의 선두구체(先頭構体)를 공개한 데 이어 올해 2월 17일에도 역시 일차량(日本車輛)에서, 하마마츠(浜松)로 반출하기 직전의 도쿄(東京) 쪽 선두 16호 차의 모습이 보도진을 모아 공개하였다. 이처럼 자주 부각되는 N 700S계 신칸센과는 어떠한 신칸센 차량인지 공개당일의 설명을 바탕으로 소개한 것이다.


       
       시즈오카(靜岡) 역에 정차하고 있는 N 700S계 차세대 신칸센 확인시험 차 J0편성


  N 700S계 신칸센은 현재 주력차량, N 700A계 신칸센의 다음 세대의 차량으로 개발된 것으로써 "S" 자는 N 700계 신칸센 시리즈 가운데 최고의 차량으로 Supreme(최고의 의미)에 유래하였다. 즉, 신기술의 채용, 표준차량, 환경성능의 향상, 안전ㆍ안정 수송성능의 향상, 쾌적성ㆍ편리성 향상의 5개를 개념으로 내걸어 기술 면에서나 접객설비 면에서도 기존 N 700계 신칸센에서 크게 진화시킨 풀 모델체인지 차량이다.


 ▣ 듀얼 스프림 윙형 선두형상


  도카이도 신칸센의 증거로서 흰색으로 청띠(靑帶)는 여전히 이어받지만 그 청띠는 더욱 많은 여러 형태로 운전태 창(窓) 부근까지 연장디었으며, 이것이 "S" 자를 추상적으로 표현하고 있다.또 편성을 통해서 한 쪽 6군데에 상징마크가 그려지고 있으며, 흐르는 듯한 "S" 자의 문자는 말할 필요도 없이 선두형상의 이미지로써 그것을 중심으로 배치하여 철도로서 안심감(安心感)과 안정감(安定感)을 표현하고 있다.
 

  선두형상(先頭形狀)은 일련의 N 700계 신칸센의 에어로 더블윙 형을 지칭하는 것부터 새로운 듀얼 스프림 윙 형으로 변경되었다. 공기 역학적 특성개선의 시뮬레이션에 임해 온 성과로 컴퓨터 계산능력의 향상의 결실이다. 이 3차원 형상의 시뮬레이션 결과 더욱이 디자이너의 튜닝을 더해 최종형태는 결정되었다.


       

       전면에 N 700S계 차세데 신칸센, 후면은 N 700A계 신칸센


  내외장에 걸친 디자인의 조정에 체한 것은 300계 신칸센 이후 도카이도 신칸센 차량에 종사하는 후쿠다 데쓰오(福田 哲男) 씨가 지난해 구체(構体) 공개 때 선두형상의 포인트를 말한다. 그 때 해설에는 공력적인 최적화를 위해서 끝부분의 단면적을 변경하면서 양쪽으로 조용히 내려가 N 700계 신칸센의 형상부터 산봉우리를 만들어 볼륨감을 키우면서 그 봉우리에 비드를 통해 흐르는 라인을 강조했다고 한다.


  양쪽을 돋우고 엣지를 세운 조형은 공기의 정류작용(整流作用)에 의한 터널 미세 기압파(微細氣壓波)의 영향을 줄이고, 주행저항과 차외소음(車外騷音)도 억제하면서 최후부에는 노즈 첨단의 기류(氣流)의 소용돌이(渦卷)를 해소하고, 좌우동요를 방지한다. 또 좌우를 북돋우었다는 점에서 표지등의 개구부 면적이 20%나 늘었으며, 조사범위가 넓어졌다. 또 도카이도 신칸센 차량에는 첫 LED를 채용하여 밝아진 것과 함께 기관사의 시인성(視認性)도 개선되었다. 전체 형상의 변화에서 운전석 부분의 면적도 약간 확대되었다.


  개념으로 내건 새로운 기술의 첫 째는 지진의 제동거리 단축을 꼽는다. 그동안 285km/h에서 정지거리는 3,000m(평탄선의 경우)였는 데 N 700A계 신칸센 3차 제작차에 5%나 단축하였다. N 700S계 신칸센에는 ATCㆍ제동시스템을 개량하여 다시 5%를 단축하였다. 또 자사(自社) 코마키(小牧) 연구시설의 주행시험장치를 활용한 성과 중 하나로 대차 진동감지장치의 기능을 향상시켜 양호한 승차감 유지를 위해 상태감시를 강화하였다.


  구동(驅動)시스템에는 주변환장치의 반도체 소자를 IGBT(규소 = Si 사용)에서 저손실이고도 고온 하에서 동작이 가능한 차세대 소자인 SiC(탄화규소)를 이용한 MOSFET로 하였으며, JR 도카이(東海)가 독자기술로 주행식 냉동식과 조합하여 20%나 경량화를 도모하였다.


  ▣ 철저한 소형화


  공개 당일은 하마마츠 공장의 구내에 N 700A계 신칸센 초기 차 주변환장치와 N 700S계 신칸센의 주변환장치가 나란히 전시하였다. N 700계 신칸센은 후에 전체 차량, N 700A계 신칸센(3차 제작차량)에 준하여 제동성능 강화 등의 개조를 하여 N 700A계 신칸센으로 변했지만 이 그룹의 주변환장치는 냉각방식이 강제 통풍식이며, 장치의 중앙부에 송풍기를 갖추었기 때문에 장치 전체가 대형으로써 레일방향으로 2,200mm나 크기다(침목방향은 차체 폭 가득). SiC를 이용한 MOSFET과 주행풍 냉각채용함에 따라 송풍기를 배제한 N 700S계 신칸센의 주변환장치는 1,000mm로써 1/21이하로 소형화되었다.


         
        좌측은 N700A계, 우측은 N 700S계 신칸센의 견인전동기


  또한 N 700계 신칸센은 주행식 냉동형 장치도 병용하고 증비되는 과정에서 편성 내에서 주행식 냉동형의 비율을 높인 제3차 제작차에는 모두 주행풍 냉각형으로 하는 등의 변화가 있다. 그래도 소자(素子)는 IGBT이기 때문에 주변환장치의 소형화에 한계가 있어 제3차 제작차도 그 크기는 기존 장치의 3/4 정도밖에 줄이지 않았다. 그러므로 크기로 1/2 이하, 중량은 20%나 감소하여 N 700S계 신칸센의 주변환장치는 큰 성과다.


  주변환장치와 세트가 되는 신기술로써 견인전동기(牽引電動機)의 6극 화이다. 유도전동기(誘導電動機)는 철심과 코일을 감아 고정자(固定子)가 만들어 내는 회전자계(回轉磁界)의 내측에 있는 농형(寵形) 회전자에 전자유도에 의한 전류가 생겨 회전토크가 발생하게 된다. 회전자에 3상 교류 각 상(相)의 코일을 그 원주에 따라서 두 조 배치한 것이 4극 전동기이지만 이를 6극으로 하면 코일 수가 늘어나는 만큼 전류를 늘릴 수 있는 한편 자속(磁束)은 줄일 수 있기(출력 = 전류×자속) 때문에 자속을 통해 철심의 두께를 얇아 소형화할 수 있다. 그 결과 견인전동기 1대가 70kg로 억제되어 대차 1대 당 2대 탑재하기 때문에 140kg를 경량화할 수 있다.


  반면에 견인전동기이 4극에서 6극으로 늘어나자 속도제어를 위한 스위칭은 1.5배의 속도가 요구된다. 그래서 반도체 소자의 부하가 높아지는 발열량도 상승하고, 열폭주(熱暴走) 가능성도 생겨 그 냉각이 큰 과제가 되었다. 이런 걸림돌을 피하는 소자가 SiC의 MOSFET하 할 수 있으며, 견인전동기의 6극 화는 이것을 이용한 주변환장치가 불가피하다는 관계이다.


  팬터그래프는 습판이 신기술의 포인트이다. 종래는 습판 1장당은 3개의 부재(部材)에 의한 일체 구성이었으나 이를 10분한 링크기구로 연결하여 휘어지는 구조로 하였다. 이 휨 습판에 의해  가선(架線)에 대한 추수성능(追隨性能)이 대폭 향상되었으며, 이선(離線)이 적어지므로 습판, 가선과 함께 아크에 의한 타격이 회피되어 장기 수명화를 도모한다. 또한 신형 팬터그래프는 지지부(支持部)를 3개에서 2개로 약 50kg나 경량화 시켰다.


  ▣ 축전지로 비상시 자력주행


  집합시키고 하나의 장치를 구성, 그 장치를 여러 차량에 배치한다. 원래 보조 전원 시스템의 한 요소이지만, 리튬 이온 배터리의 능력 확대에 따른 가선 전원이 끊겨지진 발생 시 등 비상시 자력 주행과 일부 화장실에 전원 공급에 이용한다. 자력 주행은 터널과 교량 등 피난이 어려운 장소로부터 탈출을 상정하고 있으며, 반드시 다음 역까지 주행하는 것은 아니다.비상용니 공기 조절 장치는 가동시키지 않는다.


  그밖에 대차(臺車 프레임은 구조를 연구하여 보강부재(補强部材) 및 용접부분(溶接部分)을 줄이고, 하부 판 두께를 최적화함으로써 신뢰성을 높이면서 약 75kg의 가볍게 하였다. 또 기어 장치의 톱니바퀴에는 기존 하수바 기어를 대신하여 이중 헬리컬 기어를 채용하여 베어링에 부하를 경감시켜 유지보수를 경감시킴과 동시에 안정된 맞물림으로 소음(騷音)을 줄였다. 또 기존의 세미 액티브 댐퍼에 소형 전동기와 펌프를 취부하여 콤팩트한 풀 액티브 제진제어장치(制振制御裝置)를 전 차량에 채용하여 승차감을 향상시켰다.


  이들의 구동시스템 고효율화와 차량 전체의 경량화로 에너지 절약화도 한층 더 실시하였다. N 700A계 신칸센의 편성중량은 약 710톤이었지만 N 700S계 차세대 신칸센은 700t 이하를 목표로 세우고 있다. N 700A계 신칸센은 285km/h 주행함에도 불구하고, 270km/h 주행하는 700계 신칸센보다 16%나 전력을 줄였지만 N 700S계 차세대 신칸센은 N 700A계 신칸센보다 7%나 더 절감을 목표로 하고 있다.


  또한 상태감시 기능(狀態監視技能)의 강화로써 차상 전송속도 및 차상~지상 간 전송속도를 N 700A계 신칸센과 비교해서 약 10배나 필드데이터를 대용량 화하였다. 기존 감시시스템은 기기가 손상범위에 들어간 단계에서 이상으로 보고, 전송되는 것이었지만 N 700S계 차세대 신칸센은 징조범위(徵兆範圍)에서 파악하는 것이 가능하며, 이를 지상에서 상세히 분석하고 조사·수선에 반영하여 고장을 미연에 방지하므로써 새로운 안전과 안정수송을 실현하였다. 또 차내 방범카메라에 잡힌 영상을 실시간으로 지상으로 전송할 수 있어 차내의 보안수준을 향상시켰다.


  ▣ 본격적 주행시험


  N 700S계 차세대 신칸센에 대해서,JR 도카이(東海) 신칸센 철도사업본부의 우에노 마사유키(上野 雅之) 부본부장은 "JR 도카이(東海)가 그동안 계속적으로 해온 기술개발의 성과를 마무리하는 최신기술과 지식을 결집한 차량이라고 소개하였으며, 3월 20일부터 야간에 성능 확인시험을 치르고, 이어 본격적인 주행시험을 도카이도 신칸센(東海道新幹線)에서 전개하겠다고 하였다.


  도카이도 신칸센(東海道新幹線)은 2020년까지 N 700A계 신칸센 타입으로 통일하고, 최고속도도 285km/h로 통일한다. N 700S계 차세대ㅐ 신칸센은 2020년도에 양산 차(量産車)를 영업차량에 투입할 예정이다.


   이번 N 700S계 차세대 신칸센 확인시험 차(確認試驗車)는 영업차량을 양산(量産)하기 전에 최신기술을 최종확인하기 위해서 신조(新造)된 편성으로써 기존 양산 선행 차(量産先行車) 같은 영업차량으로 할 예정은 없다. N 700S계 차세대 신칸센은 현재 최고기술을 담고 있지만 JR 도카이(東海)에서는 재료기술의 진화에 맞추어 경량화(輕量化)는 앞으로도 풀어 나가고 있으며, 정숙성도 높일 수 있다고 밝히고 있다. 영업차량 투입 후에는 새로운 기술개발을 위한 시험 전용차량(試驗 專用車輛)으로 할 것이다.


     - 資料 :  新型 新幹線 「N700S」のスゴイ 技術, 東洋經濟新報社, 2018. 4. 21.

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