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기획특집/연재

N700S계 제7대 차세대 도카이도 신칸센의 차량기술

보이지 않은 부분에 획기적으로 개선


  (서울:레일뉴스)최경수 편집위원 = JR 도카이(東海)는 3월 10일, 도카이도 신칸센(東海道新幹線)의 하마마츠 공장(橫浜工場)에서 차세대 도카이도 신칸센(東海道新幹線) 차량으로 정하고 있는 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)를 최초 16량으로 편성한 상태에서 보도진에게 공개하였다.


  공장 구내 짧은 거리이지만 주행하는 모습을 선 보이는 것도 처음이었다. 이럼에 따라 지난해 10월 1일, 일본차량(日本車輛) 도요카와(豐川) 제작소에서 제작과정의 선두 구체(先頭構体)를 공개한 데 이어 올해 2월 17일에도 역시 닛샤(日車, 일본차량 제작소의 약칭)에서 하마마츠(浜松)로 반출하기 직전에 도쿄(東京) 쪽 선두 16호 차의 모습을 보도진에게 공개하였다. 이처럼 자주 부각되는 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 어떠한 신칸센 차량인지, 공개 당일 설명을 바탕으로 소개한 것이다.


   

      시즈오카에서 발착하는 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)의 모습


  N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 현재 주력차량 N 700A계 신칸센의 다음 세대의 차량으로 개발된

 것으로써 S 자는 N 700계 신칸센 시리즈 가운데 최고의 차량으로 Supreme(슈프림 : 최고의 의미)에 유래한 것이다. 즉, 신기술의 채용, 표준차량 환경성능의 향상, 안전ㆍ안정수송 성능의 향상, 쾌적성ㆍ편리성 향상시킨다는 5개 컨셉으로 내걸고 기술 면에서나 접객설비 면에서도 기존 N 700계 신칸센보다 크게 진화시킨「풀 모델 체인지」 차량이다.


듀얼 슈프림윙 형 선두형상


  도카이도 신칸센의 보증된 차량으로써 흰색에 청색 띠는 여전히 이어받았지만 그 청색 띠는 더 많은 여러 형태로 운전대 창(窓) 부근까지 예리하게 늘어났으며, 이것이 S 자를 추상적으로 표현하였다. 또 편성을 통해서 한쪽 6군데 상징 마크가 그려져 있으며, 흐르는 듯한 S 자의 문자는 말할 것 없이 선두형상의 이미지로써 그것을 중심으로 배치하여 철도로써 안심감과 안정감을 표현하고 있다.


  선두형상(先頭形狀)은 일련의 N 700계 신칸센의 에어로 더블윙 형을 지칭하는 것부터 새로운 듀얼 스프림윙 형으로 변경되었다. 공기 역학적 특성을 개선한 시뮬레이션에 의한 성과로써 컴퓨터 계산능력을 향상시킨 결실이다. 이 3차원 형상의 시뮬레이션 결과에다 더욱 디자이너들의 튜닝을 추가하여 최종 형상을 결정하였다.


  내외장에 대한 디자인을 조정한 것은 300계 신칸센 이후 도카이도 신칸센 차량에 종사한 후쿠다 데쓰오(福田 哲男) 씨가 지난해 구체(構体) 공개 시 선두형상의 포인트를 말하였다. 그 때 해설에는 공력적(空力的)인 최적화를 위해서 끝부분의 단면적을 변경하면서 양쪽으로 묶혀 내려가는 N 700계 신칸센의 형상으로부터 산봉우리를 만들어 볼륨감을 키우면서 그 봉우리에 비드를 통해 흐르는 라인을 강조하였다.


  양쪽을 돋우고 엣지를 세운 조형(造形)은 공기의 정류작용(整流作用)으로 터널 미기압파(微氣壓波)의 영향을 줄이고, 주행저항과 차외소음도 억제하면서 최후부에는 노즈 첨단의 기류의 소용돌이를 해소하여 좌우 동요(動搖)를 방지한다. 또 좌우를 높혔다는 점에서 표지등의 개구부(開口部) 면적이 20%나 늘여 조사범위(照査範圍)가 넓어졌다. 또 도카이도 신칸센 차량에는 첫 LED를 채용하여 밝아진 것과 함께 기관사의 시인성(視認性)도 개선하였다. 전체 형상의 변화에서 운전석 부분의 면적도 약간 넓혔다.


  컨셉으로 내건 새로운 기술의 첫째는 지진 시 제동거리의 단축을 꼽는다. 그동안 285km/h에서 정지거리는 3,000m(평탄선의 경우)였는 데 N 700A계 신칸센 3차 제작 차는 5%나 단축하였다. N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)에는 ATCㆍ브레이크 시스템을 개량하여 다시 5%나 단축하였다. 또 자사(自社)의 고마키(小牧) 연구시설의 주행시험 장치를 활용한 성과 가운데 하나로 대차진동(臺車振動) 검지장치(檢知裝置)의 기능을 향상시키고, 좋은 승차감을 유지하기 위해 상태감시를 강화하였다.


  구동 시스템에는 주변환 장치의 반도체 소자를 IGBT(규소 = Si를 이용)에서 저 손실, 고온 하에서 동작이 가능한 차세대 소자인 SiC(탄화규소)를 이용한 MOSFET로 하였으며, JR 도카이(東海)가 독자적인 기술로 주행풍 냉각식으로 조합시켜 20%나 경량화하였다.


철저한 소형화


  공개 당일은 하마마츠 공장(浜松工場) 내에 N 700A셰 신칸센의 초기 차(初期車) 주변환 장치와 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)의 주변환 장치가 나란히 전시하였다. N 700계 신칸센은 후에 전 차량을 N 700A계 신칸센(3차 제작 차에 해당)에 준하여 제동성능 강화 등을 개조하여 N 700A계 신칸센으로 변했지만 이 그룹의 주변환 장치는 냉각방식을 강제 통풍식으로 하였으며, 장치의 중앙부에 송풍기를 갖추었기 때문에 장치 전체가 대형으로써 레일 방향으로 2,200mm나 커졌다(침목방향은 차체 폭 최대). 이에 대하여 SiC를 이용한 MOSFET과 주행풍 냉각을 채용함에 따라 송풍기를 뺀 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)의 주변환 장치는 1,000mm인 1/2 이하로 소형화하였다.


  또한 N 700계 신칸센은 주행풍 냉각형 장치도 병용하는 과정에서 편성 내에 있어서 주행풍 냉각형의 비율을 높여 3차 제작 차에는 모두 주행풍 냉각형으로 하는 등으로 변화하였다. 그래도 소자(素子)는 IGBT이기 때문에 주변환 장치의 소형화하는 데 한계가 있어 3차 제작 차도 그 크기는 기존 장치의 3/4 정도밖에 줄이지 못했다. 그러므로 크기로 1/2 이하, 중량은 20% 감소를 달성한 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)의 주변환 장치는 큰 성과였다.


  주변환 장치와 세트 화한 신기술에 견인 전동기의 6극 화이다. 유도 전동기는 철심과 코일을 수납한 고정자를 만드는 회전 자계(回轉磁界)의 안쪽에 있는 농형(籠形) 회전자에 전자유도(電磁誘導)에 의해 전류가 생겨 회전토크가 발생하게 된다. 회전자에게 3상 교류 각 상(相)의 코일을 그 원주에 따라서 2조 배치한 것이 4극 전동기이지만 이를 6극으로 하면 코일 수가 늘어나는 만큼 전류를 늘릴 수 있으며, 한편 자속(磁束)은 줄일 수 있기(출력=전류×자속) 때문에 자속을 통해 철심의 두께를 얇게 할 수 있으므로 소형화가 된다. 그 결과 견인 전동기 1대 70kg를 억제되어 대차(臺車) 1대당 2대를 탑재할 수 있기 때문에 140kg나 경량화하였다.


     

    N 700A계 4극 견인전동기(좌), N 700S계 6극 견인전동기(우)


  그 반면에 견인 전동기가 4극에서 6극으로 늘어나면 속도제어를 위한 스위칭은 1.5배의 횟수와 빠른 속도가 요구된다. 그래서 반도체 소자의 부하가 높아지는 발열량도 상승하여 열 폭주 가능성도 생겨 냉각이 큰 과제가 된다. 이런 걸림돌을 회피할 수 있는 소자가 SiC의 MOSFET라고 하는 것이 있으며, 견인 전동기의 6극 화에는 이것을 이용한 주변환 장치가 불가피하다.


  팬터 그래프는 습판(摺板)이 신기술의 포인트이다. 종래는 습판 1매당 3개의 부재(部材)를 일체화하여 구성되었지만 이를 10분할(分割)한 링크기구로 연결하여 플랙시블한 구조로 하였다. 이 휨 식 습판에 의해 가선(架線)에 대한 추종성능(追隨性能)이 대폭 향상되었으며, 이선(離線)이 적어지므로 습판, 가선과 함께 아크로 인한 불합리함이 없어져 장기 수명화를 꾀하였다. 또한 신종 팬터 그래프는 지지부(支持部)(다리)를 3개에서 2개로 약 50kg나 경량화하였다.


비상 시 축전지로 자력주행 가능


  지금의 전시물은 리튬 이온 배터리이다. 전시품은 배터리 단체(單体)였지만 이를 집합시켜 하나의 장치를 구성하여 그 장치를 여러 차량에 배치한다. 원래 보조전원 시스템의 한 요소이지만 리튬 이온 배터리의 능력 확대에 따른 가선전원이 끊겨 지진 발생 시 등 비상 시 자력주행(自力走行)과 일부 화장실에 전원공급에 이용한다. 자력주행은 터널과 교량 등 피난이 어려운 장소로부터 탈출을 고려하여 반드시 다음 역까지만 운행하는 것은 아니다. 비상용이기 때문에 공기 조화장치는 가동하지 않는다.


  이 밖에 대차 프레임은 구조를 연구하고 보강부재(補强部材) 및 용접부분을 삭감, 하판(下板)의 두께를 최적 화함으로써 신뢰성을 향상시켜 약 75kg의 경량 화를 도모하였다. 또 기어장치의 톱니바퀴에는 기존 하수버 기어를 대신해 이중 헬리컬 기어를 채용하였으며, 베어링에 부하를 저감시켜 유지보수 부담을 경감시킴과 동시에 안정된 맞물림으로 소음을 줄였다. 또 기존 세미 액티브 댐퍼에 소형 모터와 펌프를 설치한 콤팩트한 풀 액티브 제진(制振) 제어장치를 전 차량에 채용하여 승차감을 향상시켰다.


  이들의 구동 시스템 고효율 화와 전 차량의 경량화로 에너지 절약화도 한 단계 끌어올렸다. N 700A계 신칸센의 편성중량은 약 710t이었지만 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 700t 이하를 목표로 하였다. N 700A계 신칸센은 285km/h 주행함에도 불구하고, 270km/h로 주행하는 700계 신칸센보다 16%나 전력삭감을 실현하였지만 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 N 700A계 신칸센보다 7%를 더 절감하는 목표로 삼고 있다.


  또한 상태감시 기능의 강화로써 차상 전송속도 및 차상 ~ 지상 간 전송속도를 N 700A계 신칸센과 비해 약 10배로 하여 필드 데이터의 대용량 화하였다. 기존감시 시스템은 기기가 손상범위에 들어간 단계에서 이상(異常)으로 보고, 전송하는 것이었지만 N 700S게 확인시험 차(確認試驗車)는 예비 징조[豫備徵兆(予兆)] 범위를 파악할 수 있으며, 이를 지상에서 상세히 분석하고 조사ㆍ수선에 반영시켜 고장을 미연에 방지하고, 새로운 안전과 안정수송을 실현한다. 또 차내의 방범 카메라에 잡힌 영상을 실시간으로 지상으로 전송할 수 있으며, 차내의 보안수준을 향상시키고 있다.


본격적인 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 기술개발 성과를 마무리하는 최신 기술과 지식을 결집한 차량이라고 소개하였다, 3월 20일부터 야간에 성능확인 시험을 치르고, 이어 본격적인 주행시험을 도카이도 신칸센(東海道新幹線) 전 선(全線)에서 전개한다고 밝혔다.


  도카이도 신칸센(東海道新幹線)은 2020년까지 N 700A계 신칸센 타입으로 통일하고, 최고속도도 285km/h로 통일한다. N 700S계 차세대 신칸센은 그 2020년도에 양산 차(量産車)의 영업차량을 투입할 예정이다. 이번 N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 영업차량을 양산하기 전에 최신기술을 최종 확인하기 위해 신조(新造)된 편성으로써 기존 양산선행 차(量産先行車) 같은 영업차량으로 할 예정은 없다.


  N 700S계 확인시험 차(確認試驗車)는 현재 최고기술을 적용하고 있지만 JR 도카이(東海)는 소재기술의 진화에 맞추어 경량화는 앞으로도 풀어 나갈 것이며, 정숙성(靜肅性)도 높인다. 영업차량으로 투입 후에는 새로운 기술개발을 위한 시험전용(試驗專用) 차량으로 하게 될 것이다.


     - 資料 : 東洋經濟 新報社, 2018. 4. 21.

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