선형 전동기, Linear Motor, 선형 유도 전동기(Linear Induction Motor; LIM), 자기부상열차, 캐터펄트, Catapult, 모터(Motor) 종류

 

 

선형 전동기

線形 電動機

Linear Motor

 

모터의 일종. 원을 그리며 돌아가는 보통의 모터와는 달리 직선으로 나아가는 형식의 모터다. 일반적으로는 특히 선형 유도 전동기(Linear Induction Motor; LIM)를 말하며 회전자가 일자로 설치되어 고정자인 리니어 유도 레일에 간섭, 상호 자기장으로 출력을 발생시킨다.

 

 

원리

 

단순하게 말하자면, 모터를 구성하는 핵심 요소인 회전자(로터)와 고정자(스테이터)를 뜯어서, 원형이던 스테이터를 일직선으로 쭉 편 것이 선형 전동기다. 이 상태에서 회전자와 고정자에 전류를 넣으면, 원래 모터에서는 고정자 안에서 회전운동을 하는 회전자가 선형 고정자 위로 데굴데굴 둘러가며 전진하게 된다. 회전자까지도 원형이 아니라 선형으로 편다면 굴러가진 않지만 여전히 전진은 한다.

 

물론 이는 극도로 단순화한 설명이고, 실용화된 선형 전동기는 저렇게 단순하지 않다.

 

 

 

쓰임새

 

분진이 생기면 안 되는 물건을 운반하거나 궤도교통에 이용한다. 이외에도 선형 전동기를 사용해서 높이 올라가지 않고도 처음부터 튕겨져 나가듯이 가속하는 급발진 롤러코스터도 존재한다. 롯데월드 어드벤처의 아트란티스가 대표적으로 모터 특성상 높은 곳에서 위치 에너지와 관성에 가속을 의존하는 기존의 롤러코스터와 달리 선형 전동기 특유의 조용함과 가속력이 합쳐져서 부드럽게 치고 나가는 느낌으로 처음 타는 사람들은 웬 처음부터 풀스피드로 내달리는 낚시에 깜짝 놀라기도 한다.

 

진동 모터로서는 최근에는 스마트폰 등 전자기기에도 일부 상위 모델에 X축 리니어 모터라고 하는 소형 선형 전동기가 탑재된다. 기존 진동자를 회전시켜 진동하던 모터와 달리 넓적한 쇠 판을 리니어 모터로 빠르게 앞 뒤로 이동시켜 진동을 낸다. 일반적인 진동 모터와 다르게 빠른 속도로 동작이 가능해 스피커와 같이 다양한 파형의 진동을 재생할 수 있고, "톡 토독"하는 특유의 부드럽고 깔끔한 피드백 진동을 낸다. 맥북의 트랙패드가 실제로는 스위치가 없음에도 마치 누른듯한 느낌이 나는 것이 리니어 모터로 진동을 주기 때문이다.

 

 

궤도교통

 

자기부상열차는 일반적인 모터의 회전력을 추진력으로 바꿀 수 없으므로, 전동기로 LIM을 채용한다. 초전도반발식과 상전도흡인식 할 것 없이 모두 LIM을 사용한다. 레일은 자석이고 차량에는 코일이 있어서 둘이 같이 있어야 비로소 모터로써 기능한다.

 

선형전동기를 사용하는 고속철도 차량 자체는 이미 일본에서 신칸센으로 써먹기 위해 한참 전부터 연구하고있었고 그 과정에서 나온 연구용 차량 신칸센 L0계 리니어 모터카가 존재한다. 이 기술들은 츄오 신칸센을 통해 상용화될 예정이다.

 

도시철도에 채용되는 경우 경제적인 이유로 부상식 보다는 대부분 접지식(철차륜식) LIM 시스템을 사용한다. 이 경우는 자기부상열차와 달리 선로 두 가닥 사이에 있는 철제 플레이트와 차량 하부에 있는 전동기 사이에서 추진력을 얻는 방식이다. 기존의 둥근 전동기를 펼쳐놓은 구조로서 차상 전자석과 지상 자석간의 극을 맞춰 밀고 당기는 힘으로 달리는 것으로 이해하면 된다. 전동기의 일부가 선로 사이의 자석으로 쭉 깔려 있기에 열차에 탑재하는 전동기를 작게 할 수 있다. 따라서 지하구간에서 열차가 차지하는 면적이 줄어들고, 이에 따라 터널 단면적의 높이를 기존 지하철 대비 1m 정도 줄이는 것이 가능해짐으로서 조금 더 저예산으로 도시철도를 건설할 수 있는 장점이 있다.

 

바퀴에는 동력이 전달되지 않고 오로지 자석으로 추진하기 때문에 공전현상과 접지력 문제를 무시할 수 있어서 폭설 같은 악천후에도 주행이 가능하며, 차축을 커브에 맞춰 유연하게 움직일 수 있기 때문에, 고무차륜열차에서나 원활히 대응 가능한 급커브나 60퍼밀 상당의 급경사에도 철차륜 열차로 대응할 수 있다는 장점이 있다. 이는 급경사가 아닌 일반적인 경사에서도 장점이 되는데, 같은 경사라면 접지력 차이로 인한 동력 손실을 무시하는 LIM 특성상 LIM이 일반 철도보다 더 높은 가속력과 더 높은 안정성과 승차감을 가지게 된다.

 

예를 들어서 LIM 노선이 아닌 인천 도시철도 2호선의 검바위역 - 아시아드경기장역 구간에서 전동차가 검바위역 방향으로 진행할 때에는 최대출력을 내고, 아시아드경기장역 방향으로 진행할 때는 지속적으로 제동을 건다. 반면 LIM 노선인 용인경전철의 초당역 - 삼가역 구간에서는 급경사 구간을 지나는지조차 모를 정도로 균일한 출력과 가속도, 승차감을 유지하는 것으로 차이를 느낄 수 있다.

 

선형 전동기에서 자계의 슬립 현상4은 일반 모터에 비교할 때 직접적인 영향을 미치기 때문에, LIM 차량은 정밀한 VVVF 제어를 필요로 하며, 발차시에만 모멘트를 일정하게 유지하고(기동주행), 일정 속도 이상에서 최적의 효율로 제어하면서 주행(평주행)한다. 이 때문에 LIM 차량만의 특유의 VVVF 소리를 들을 수 있다. 그런 거 신경 안 쓰면 제트카가 된다. 영업운전 시 비교영상.(오사카메트로 70계 전동차)

 

대체로 효율이 일반 전동기를 이용한 전동차보다 나쁘고, LIM 시스템은 전용 브레이크를 사용하는 비상 제동을 제외한 모든 추진 동력을 지상 플레이트에 의존하기 때문에 플레이트가 없다면 달릴 수 없다는 점과 그로 인해서 재래식 인프라를 사용하는 타 궤도노선과의 직결운행을 포함한 시스템 연계가 사실상 불가능하다는 단점을 가진다. 반대로 LIM 노선은 그 특성을 활용해 선로 규격도 작게 만들고 급구배나 급곡선도 우회 없이 적극적으로 돌파해서 짓기 때문에 재래식 열차도 LIM 노선에 입선하는 것이 사실상 불가능하다. 이런 문제로 도쿄도 교통국 오에도선의 도쿄도 교통국 12-600형 전동차는 중검수를 받기 위해 마고메 차량검수장으로 갈 때마다 도쿄도 교통국 E5000형 전기 기관차로 무화회송된다.

 

LIM을 채용한 궤도교통 시스템은 Bombardier INNOVIA Metro 시스템이 대표적이며 제3궤조 집전식이다. 한편 일본에서는 INNOVIA Metro 계열 시스템과 다르게 가공전차선 방식을 사용하는 별도의 리니어 메트로 시스템을 사용하고 있다.

 

향후에 선형 동기전동기(LSM)를 사용한 초고속열차가 개발될 것으로 보인다.

 

 

 

LIM 적용 도시철도 노선

 

Bombardier INNOVIA Metro 계열 시스템

용인 경전철

베이징 지하철 수도공항선

RapidKL 클라나자야 선

에어트레인 JFK

밴쿠버 스카이트레인 엑스포 라인

밴쿠버 스카이트레인 밀레니엄 라인

일본식 리니어 메트로 계열 시스템

도에이 지하철 오에도선

오사카메트로 나가호리츠루미료쿠치선

오사카메트로 이마자토스지선

센다이시 지하철 토자이선

후쿠오카시 지하철 나나쿠마선

요코하마 시영 지하철 그린라인

고베 시영 지하철 카이간선

광저우 지하철 4호선A

광저우 지하철 5호선A

광저우 지하철 6호선A

자기부상열차

아이치 고속교통 동부구릉선

인천공항 자기부상철도

베이징 지하철 S1선

부산 도시철도 4호선

 

 

캐터펄트, Catapult

 

항공모함에서 고중량의 항공기를 고속으로, 신뢰성있게, 안정적인 가속도로 사출하기 위해 사용하기 시작했다.

 

 

 

 

 

모터(Motor) 종류

 

 

인덕션모터(Induction Motor)

 

인덕션모터(Induction Motor)는 회전 자계형으로 분류되어 있는 AC모터의 일종

 

인덕션모터의 작동원리는 고정자 권선에 흐르는 교류전류에 의해 발생하는 회전 자기장과 로터부에서 발생하는 유도 전류와의 상호작용에 의해 생기는 회전력인데, 이 때문에 인덕션모터를 유도모터라고 부르는 경우도 있다.

 

내부 구조로 로터부(회전자)는 규소 강판을 적층 하였고 슬롯부는 구리나 알루미늄 등으로 농형으로 권선을 형성

 

토크 발생부는 로터나 스테이터(고정자)의 권선부가 아니고 대부분이 철심에 집중되어 있는 구조로 이루어져 있다.

 

인덕션모터(Induction Motor) 의 부하(토크)에 대응한 회전수로 회전하는데 이것에는 어느 정도의 정속성이 있기 때문에 그다지 엄밀한 정속성이 요구되지 않는 동력용 모터로서 널리 사용되고 있다.

 

 

 

 

리니어모터(Linear Motor)

 

리니어모터는 볼 스크류와 같은 직선 구동을 위한 보조 기구부 없이 선형 운동을 하는 전자기적 모터

 

우리 주변에서 사용되고 있는 모터의 대부분은 회전식인데 각종의 가전제품이나 정보 기기에는 여러 곳에서 직선 운동형 모터가 사용되고 있다.

 

리니어모터는 정밀도, 속도 등에 의한 니즈에 알맞다. 리니어모터는 다이렉트로 직선 운동을 하기 때문에 정밀도와 속도가 상당히 높다.

 

타 모터에 비해 고가이지만, 직선 운동이나 고속 작동이 가능하며 볼 스크류 모터와 같은 마찰이 없기에 백래쉬가 없다. 또한 수명이 긴 것도 장점으로 꼽을 수 있다.

 

 

 

 

 

초음파 모터(Ultrasonic Motor)

 

초음파모터는 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 새로운 형의 구동원

 

작동원리는 복수의 압전 세라믹을 사용하고, 이것에 고주파 전압을 가하여서 압전 세라믹을 진동, 이 진동력에서 탄성체와 마찰판을 거쳐서 일정 방향의 구동력, 즉 회전력을 얻는다.

 

이 구동력은 회전형 외의 직진형(리니어 구동형) 도 있다. 원래 모터라 하면 자석이나 권선을 사용하는 전자기의 모터를 칭하였지만, 초음파 모터는 20kHz 이상의 초음파 영역을 사용하는 전기력 모터다.

 

초음파모터의 용도는 저속 회전에서 큰 힘을 필요로 하는 다이렉트 드라이브용 또 자기 에너지를 싫어하는 장치의 구동원, 버니어 구동(미크론 단위의 미소 구동원) 등에 이용되고 있다.

 

 

 

 

코어리스 모터(Coreless Motor)

 

코어리스 모터는 로터 주위에 코일이 없다.

코어리스모터는 전기자 코일에 철심을 사용하지 않는다.

철심이 없기 때문에 관성 모멘트가 작아지고 기계 시 정수는 작아지기 때문에 응답성이 좋다.

 

코어리스모터는 토크 변동이 작은 모터이지만 위에 설명드린 것처럼 철심이 없는 모터이기 때문에 전지가 코일의 인덕턴스가 작아지므로 정류자의 브러쉬 사이에 스파크가 잘 튀지 않고 전류할 때에도 전류의 방향이 빠르게 변환.

 

철심이 없기 때문에 철손도 없고, 이는 모터의 효율을 높일 수도 있다. 전기자 코일의 자속밀도가 철심이 있는 경우보다 저하되고 계자자속이 공기중을 통과하는 거리가 길어지기 때문에 자속 밀도가 저하되는데 이 부분이 코어리스모터의 토크를 작게 한다.