자기 부상 열차의 작동 원리

대중 교통의 진화는 인간 문명을 근본적으로 변화 시켰습니다. 1860 년대에 대륙 횡단 철도는 미국을 가로 지르는 몇 달 간의 슬로건을 일주일 간의 여정으로 바 꾸었습니다. 불과 수십 년 후 승용차는 말을 타는 것보다 훨씬 빠르게 시골을 가로 질러 뛸 수있게되었습니다. 물론 제 1 차 세계 대전 당시 최초의 상업용 비행은 우리의 여행을 다시 한 번 변화시키기 시작하여 해안에서 해안으로의 여행을 몇 시간 만에 만들었습니다. 그러나 오늘날 미국의 철도 여행은 1 세기 전보다 훨씬 빠르지 않습니다. 다음 큰 돌파구를 찾는 엔지니어들에게 아마도 "마법의"떠 다니는 기차는 그저 티켓 일뿐입니다.

21 세기에는 자기 부상 열차 라고하는 고속 열차를 개발하기 위해 강력한 전자석 을 사용하는 몇몇 국가 가 있습니다. 이 열차는 자석의 기본 원리를 사용하여 가이드 웨이 위로 떠다니며 오래된 강철 바퀴와 트랙 열차를 대체합니다. 말할 수있는 철도 마찰이 없기 때문에이 열차는 시속 수백 마일의 속도를 낼 수 있습니다.

그러나 고속은 자기 부상 열차의 주요 이점 중 하나 일뿐입니다. 열차가 선로에 거의 닿지 않기 때문에 일반적인 지진을 흔드는 열차보다 소음과 진동이 훨씬 적습니다. 진동과 마찰이 적 으면 기계적 고장이 적어 자기 부상 열차가 날씨와 관련된 지연을 겪을 가능성이 적습니다.

자기 부상 (maglev) 기술에 대한 최초의 특허는 프랑스 태생의 미국 엔지니어 Emile Bachelet이 1910 년대 초에 출원했습니다. 그 이전에도 1904 년 미국의 교수이자 발명가 인 Robert Goddard는 자기 부상 부상의 개념을 설명하는 논문을 작성했습니다 [출처 : Witschge ]. 얼마 지나지 않아 엔지니어들이이 미래형 비전을 기반으로 열차 시스템을 계획하기 시작했습니다. 곧 그들은 승객들이 자기 추진 자동차에 탑승하고 고속으로 장소를 이동하며 전통적인 철도의 많은 유지 보수 및 안전 문제없이 집으로 이동할 것이라고 믿었습니다.

자기 부상 열차와 재래식 열차 의 큰 차이점은 자기 부상 열차에는 엔진 이 없다는 것입니다. 적어도 강철 트랙을 따라 일반 열차를 당기는 데 사용되는 엔진 종류는 아닙니다. 자기 부상 열차의 엔진은 다소 눈에 띄지 않습니다. 화석 연료 를 사용하는 대신 가이드 웨이 벽과 트랙의 전기 코일에 의해 생성 된 자기장이 결합하여 열차를 추진합니다.

자석을 가지고 놀아 본 적이 있다면 반대 극이 서로 끌어 당기고 같은 극이 서로를 밀어 낸다는 것을 알고 있습니다. 이것이 전자기 추진 의 기본 원리 입니다. 전자석은 금속 물체를 끌어 당긴다는 점에서 다른 자석과 유사하지만 자기 장력은 일시적입니다. 구리선의 끝을 AA, C 또는 D- 셀 배터리 의 양극과 음극에 연결하여 작은 전자석을 쉽게 만들 수 있습니다 . 이것은 작은 자기장을 생성합니다. 배터리에서 전선의 한쪽 끝을 분리하면 자기장이 제거됩니다.

이 와이어-배터리 실험에서 생성 된 자기장은 자기 부상 열차 레일 시스템의 단순한 아이디어입니다. 이 시스템에는 세 가지 구성 요소가 있습니다.

다음에 트랙을 볼 것입니다.

내용

1. 자기 부상 트랙
2. EDS (Electrodynamic Suspension)
3. 사용중인 자기 부상 기술

가이드 웨이 라고하는 트랙을 따라 움직이는 자화 코일 은 열차 하부 구조에있는 큰 자석을 밀어 내어 열차 가 가이드 웨이 위로 1 ~ 10 센티미터 (0.39 ~ 3.93 인치) 사이 에서 부상 할 수 있도록합니다 [출처 : Boslaugh ]. 기차가 부양되면 가이드 웨이 벽에있는 코일에 전원이 공급되어 가이드 웨이를 따라 기차를 당기고 밀어내는 고유 한 자기장 시스템을 생성합니다. 가이드 웨이 벽의 코일에 공급되는 전류는 자화 코일의 극성을 변경하기 위해 지속적으로 교대합니다. 이러한 극성의 변화로 인해 열차 앞의 자기장이 차량을 앞으로 당기는 반면 열차 뒤의 자기장은 더 많은 전진 추력을 추가합니다.

자기 부상 열차는 공기의 쿠션 위에 떠있어 마찰을 제거합니다. 이 마찰의 부족 열차 '공기 역학적 디자인이 기차 이상의 전례없는 지상 교통 속도에 도달 할 수 있도록 310mph (500 킬로미터), 또는 두 배 빨리 암트랙에서 가장 빠른 통근 열차 [: 소스 Boslaugh을 ]. 이에 비해 장거리 비행에 사용되는 Boeing-777 상업용 항공기 는 최고 속도가 약 905km / h에 달할 수 있습니다. 개발자들은 자기 부상 열차가 결국 최대 1,609km 떨어진 도시를 연결하게 될 것이라고 말합니다. 시속 310 마일로 파리에서 로마까지 단 2 시간 만에 이동할 수 있습니다.

일부 자기 부상 열차는 더 빠른 속도를 낼 수 있습니다. 2016 년 10 월, 일본 철도 자기 부상 열차 가 단기간 동안 601km / h (374mph) 까지 폭발했습니다 . 이러한 종류의 속도는 엔지니어에게이 기술이 수백 마일 길이의 경로에 유용 할 것이라는 희망을줍니다.

독일과 일본은 모두 자기 부상 열차 기술을 개발하고 열차의 프로토 타입을 테스트했습니다. 비슷한 개념을 기반으로하지만 독일 열차와 일본 열차는 뚜렷한 차이가 있습니다. 독일에서 엔지니어들은 Transrapid라는 전자기 서스펜션 ( EMS ) 시스템을 개발했습니다 . 이 시스템에서 열차의 바닥은 강철을 감싸고가이드 웨이. 기차의 차대에 부착 된 전자석은 가이드 웨이를 향하여 가이드 웨이에서 약 1/3 인치 (1cm) 위의 기차를 부양하고 움직이지 않을 때에도 기차가 공중에 떠있게합니다. 기차 차체에 내장 된 다른 안내 자석은 여행 중에도 기차를 안정적으로 유지합니다. 독일은 트랜스 라 피드 자기 부상 열차가 사람들이 탑승 한 상태에서 시속 300 마일까지 도달 할 수 있음을 입증했습니다. 그러나 2006 년 사고 (사이드 바 참조)와 제안 된 뮌헨 중앙역-공항 간 노선에서 막대한 비용 초과로 인해 독일에서 자기 부상 열차를 건설하려는 계획은 2008 년에 폐기되었습니다 [출처 : DW ]. 그 이후로 아시아는 자기 부상 활동의 허브가되었습니다.

자기 부상 사고

2006 년 8 월 11 일 Transrapid Shanghai 공항 노선의 자기 부상 열차 칸에 화재가 발생했습니다. 부상자는 없었으며 조사관은 화재가 전기 문제로 인한 것이라고 생각합니다. 2006 년 9 월 22 일, 독일 Emsland의 Transrapid 테스트 열차가 ​​실수로 트랙에 남겨진 수리 차량과 충돌했습니다. 그 당시 기차는 최소 193km / h (120mph)를 달리고있었습니다. 약 23 명의 승객이 사망하고 11 명이 부상당했습니다. 법원은 직원이 정해진 규정과 절차를 따랐다면 피할 수 있었을 사고의 원인이 인적 오류라고 판결했습니다. 2006 년 이후로 자기 부상 사고는 더 이상보고되지 않았습니다. 그러나 독일의 시험 열차는 결국 상하이 자기 부상 열차 가 운행되는 동안 중단되었습니다 .

일본 엔지니어들은 자석의 반발력을 기반으로하는 EDS ( Electrodynamic Suspension ) 시스템 을 사용하는 경쟁 버전의 자기 부상 열차를 개발했습니다 . 일본과 독일의 자기 부상 열차 기술의 주요 차이점은 일본 열차는 초 냉각, 초전도 전자석을 사용한다는 것입니다. 이러한 종류의 전자석은 전원이 차단 된 후에도 전기를 전도 할 수 있습니다. 표준 전자석을 사용하는 EMS 시스템에서 코일은 전원 공급 장치가있을 때만 전기를 전도합니다. 추운 온도에서 코일을 냉각함으로써 일본의 시스템은 에너지를 절약합니다. 그러나 코일을 냉각하는 데 사용되는 극저온 시스템은 비용이 많이 들고 건설 및 유지 관리 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다.

시스템 간의 또 다른 차이점은 일본 열차 가 가이드 웨이에서 거의 10cm ( 4 인치 ) 높이에 떠 있다는 것 입니다. EDS 시스템을 사용할 때의 한 가지 잠재적 인 단점은 자기 부상 열차가 약 93mph (150kph)의 이륙 속도에 도달 할 때까지 고무 타이어를 굴려야한다는 것입니다. 일본 엔지니어들은 정전으로 인해 시스템이 종료 될 경우 바퀴가 유리하다고 말합니다. 또한 심박 조율기를 사용하는 승객은 초전도 전자석에서 생성되는 자기장으로부터 보호되어야합니다.

인덕 트랙은 자기장 대신 전원 전자석 또는 초전도 자석 냉각을 생성하기 위해 영구적 인 상온 자석 EDS를 사용하는 새로운 유형이다. Inductrack은 기차가 공중에 뜨기 시작할 때까지만 기차를 가속하기 위해 전원을 사용합니다. 전원이 끊기면 기차가 서서히 속도를 줄이고 보조 바퀴에서 멈출 수 있습니다.

트랙은 실제로 절연 전선을 포함하는 전기적으로 단락 된 회로의 배열입니다. 한 설계에서 이러한 회로는 사다리의 가로대처럼 정렬됩니다. 기차가 움직이면 자기장이 자석을 밀어 내고 기차가 공중에 뜨게합니다.

현재 Inductrack I, Inductrack II 및 Inductrack III의 세 가지 Inductrack 디자인이 있습니다. Inductrack I은 고속 용으로 설계되었으며 Inductrack II는 저속 용으로 적합합니다. Inductrack III는 저속으로 이동하는 매우 무거운화물을 위해 특별히 설계되었습니다. 인덕 트랙 (Inductrack) 열차는 더 높은 안정성으로 더 높이 공중에 떠올 수 있습니다. 시속 몇 마일을 이동하는 한 Inductrack 열차는 트랙 위로 거의 1 인치 (2.54 센티미터) 위로 떠오를 것입니다. 트랙 위의 더 큰 간격은 열차가 안정성을 유지하기 위해 복잡한 감지 시스템을 필요로하지 않음을 의미합니다.

과학자들은 충분한 부상 력을 생성하지 못할 것이라고 생각했기 때문에 영구 자석은 이전에 사용되지 않았습니다. Inductrack 설계는 자석을 Halbach 배열 에 배치함으로써이 문제를 우회합니다 . 자석은 자기장의 강도가 어레이 아래가 아닌 어레이 위에 집중되도록 구성됩니다. 그들은 더 높은 자기장을 생성하는 네오디뮴-철-붕소 합금으로 구성된 새로운 재료로 만들어집니다. Inductrack II 디자인은 두 개의 Halbach 어레이를 통합하여 저속에서 더 강한 자기장을 생성합니다.

특히, 수동 자기 부상 개념은 제안 된 하이퍼 루프 운송 시스템 의 핵심 기능으로 , 본질적으로 전체 트랙을 감싸는 밀봉 된 튜브를 통해 폭발 하는 Inductrack 스타일의 열차 입니다. 하이퍼 루프가 선택의 접근 방식이 될 수 있습니다. 부분적으로는 일반 자기 부상이 불가능한 방식으로 공기 저항 문제를 피하여 초음속 속도를 달성 할 수 있기 때문입니다. 일부에서는 하이퍼 루프가 기존 고속철도보다 훨씬 저렴할 수 있다고 말합니다.

그러나 자기 부상 열차는 이미 수년간의 운영 역사를 가진 입증 된 기술이지만, 아직 세계 어느 곳에서도 상용 하이퍼 루프를 구축 한 사람은 없습니다 [출처 : Davies ].

자기 부상 열차가 100여 년 전에 처음 제안되었지만 최초의 상용 자기 부상 열차는 영국의 버밍엄 국제 기차역과 버밍엄 국제 공항 터미널 사이에 저속 자기 부상 셔틀이 운행되기 전까지는 1984 년까지 현실화되지 않았습니다. 공항. 그 이후로 다양한 자기 부상 프로젝트가 시작되었거나 중단되었거나 완전히 버려졌습니다. 그러나 현재 6 개의 상용 자기 부상 열차가 있으며 모두 한국, 일본, 중국에 있습니다.

자기 부상 시스템이 빠르고 매끄럽고 효율적이라는 사실은 하나의 중요한 사실을 바꾸지 않습니다. 이러한 시스템은 구축 비용이 엄청나게 비쌉니다. 로스 앤젤레스에서 피츠버그, 샌디에이고에 이르는 미국 도시에서는 자기 부상 노선 계획이 진행 중이지만 자기 부상 운송 시스템 구축 비용 ( 마일 당 약 5 천만 달러에서 2 억 달러 )은 엄청나게 많았고 결국 제안 된 대부분의 프로젝트를 죽였습니다. 일부 비평가들은 자기 부상 열차가 기존 철도 선의 5 배에 달하는 비용으로 예측합니다. 그러나 지지자들은 이러한 열차를 운영하는 데 드는 비용이 구식 열차 기술보다 최대 70 %까지 저렴하다고 지적합니다 [출처 : Hall , Hidekazu 및 Nobuo ].

일부 유명 프로젝트가 실패한 것은 도움이되지 않습니다. 버지니아의 Old Dominion University의 행정부는 2002 년 가을 학기부터 학생들을 캠퍼스를 오가는 슈퍼 셔틀 버스를 원했지만 기차는 몇 번의 시험 주행을했지만 실제로는 40mph (64km / h)에 도달하지 못했습니다. 약속 한 속도입니다. 기차역은 2010 년에 마침내 해체되었지만 고가 선로 시스템의 일부는 여전히 남아 있으며, 이는 1,600 만 달러 실패의 증거입니다 [출처 : Kidd ].

그러나 다른 프로젝트는 계속됩니다. 한 야심 찬 그룹은 워싱턴 DC에서 볼티모어까지 40 마일 (64km) 길이를 건설하기를 원하며이 아이디어에는 많은 지지자가 있지만 프로젝트 비용은 최대 150 억 달러에이를 것으로 예상됩니다. 이 개념의 엄청난 가격표는 세계 어느 곳에서나 웃을 수 있지만이 지역의 영혼을 으깨는 정체와 제한된 공간은 도시 계획자와 엔지니어에게 혁신적인 솔루션이 필요하며 초고속 자기 부상 시스템이 최선의 선택 일 수 있습니다. 주요 판매 포인트 –이 프로젝트의 확장은 워싱턴에서 뉴욕시까지 연결되어 이동 시간을 단 60 분으로 단축 할 수 있습니다. 이는 북동부의 상업과 여행을 변화시킬 수있는 빠른 통근입니다 [출처 : Lazo , Northeast Maglev ].

그러나 아시아에서는 자기 부상 붐이 본질적으로 이미 진행 중입니다. 일본은 2037 년까지 개통 될 도쿄-오사카 노선 에서 열렬히 노력 하고 있습니다. 완공되면 기차는 거의 3 시간의 여행을 67 분으로 단축 할 것입니다 [출처 : Reuters ].

중국은 수십 개의 잠재적 자기 부상 경로를 심각하게 고려하고 있으며, 모두 대용량 대중 교통이 필요한 혼잡 한 지역에 있습니다. 이것은 고속 열차가 아닙니다. 대신, 그들은 더 낮은 속도로 더 짧은 거리로 많은 사람들을 움직일 것입니다. 그럼에도 불구하고 중국은 자체 자기 부상 기술을 모두 제조하고 있으며 최고 속도가 약 125mph (201km / h) 인 3 세대 상용 자기 부상 라인을 공개 할 예정이며 이전 버전과 달리 완전히 무인기이며 가속 및 제동 (국가에는 이미 일부 자기 부상 열차가 운행 중이지만 운전자가 필요합니다.) [출처 : Wong ].

자기 부상이 인간 운송의 미래에 어떻게 영향을 미칠지 정확히 아는 것은 불가능합니다. 자율 주행 자동차와 항공 여행의 발전은 자기 부상 라인의 배치를 복잡하게 만들 수 있습니다. 경우 하이퍼 루프의 산업이 모멘텀을 생성하기 위해 관리, 그것은 교통 시스템의 모든 종류를 방해 할 수 있습니다. 그리고 일부 엔지니어들은 날아 다니는 자동차조차도 믿을 수 없을 정도로 비싸지 만 지상에서 출발하기 위해 대규모 인프라 프로젝트가 필요하지 않기 때문에 미래에는 철도 시스템을 능가 할 수 있다고 생각합니다.

아마도 10 ~ 20 년 안에 전 세계 국가들이 자기 부상 열차에 대한 판결을 내릴 것입니다. 아마도 그들은 고속 여행의 핵심이 될 수도 있고, 붐비는 도시 지역에서 특정 인구의 일부만을 대상으로하는 애완 동물 프로젝트 일 수도 있습니다. 또는 아마도 그들은 단순히 역사 속으로 사라질 것입니다. 거의 마법 같은 형태의 공중 부양 기술은 실제로는 결코 시작되지 않았습니다.

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