[논문]초전도 유도 반발식 부상특성을 고려한 캡슐트레인 동특성 해석 모델 구축 및 주행 특성 분석

이진호; 임정열; 유원희; 이관섭

doi:10.5762/kais.2020.21.7.38

초록
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아진공 튜브 안을 부상한 상태로 주행하는 캡슐트레인은 공기저항력 및 마찰력을 획기적으로 줄임으로써 초고속 주행이 가능하다. 캡슐트레인에서 부상방식으로 사용되는 초전도 유도 반발식 부상은 부상 공극이 커서 인프라 건설비용이 저렴하고 별도의 부상제어가 필요 없는 장점이 있지만, 부상·안내 공극의 변화가 크고 부상 및 안내력에 댐핑 특성이 작아 주행 안정성 및 승차감을 악화시킬 수 있다. 본 연구에서는 초전도 유도 반발식 부상방식에 기반한 캡슐트레인의 동특성 해석 모델을 구축하고 이를 활용하여 캡슐트레인의 주행 특성을 분석하였다. 먼저 초전도 유도 반발식 부상에 있어서 동특성에 중요한 영향을 미치고 속도 및 공극 변화에 따라 비선형적인 특성을 보이는 부상 및 안내 강성을 도출하였고, 이러한 강성이 반영된 캡슐트레인의 3D 동특성 해석 모델을 구축하였다. 구축된 모델을 이용하여 캡슐트레인의 속도별 주행 특성이 승차감에 미치는 영향과 곡선 주행, 튜브 처짐 및 튜브 연결부 단차 등과 같은 주행 환경이 차량의 동특성 및 주행 안정성에 미치는 영향을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A magnetically levitating capsule train, which runs inside the sub-vacuum tube, can reach ultra-fast speeds by dramatically reducing the aerodynamic drag and friction. The capsule train uses the superconductor electrodynamic suspension (SC-EDS) method for levitation. The SC-EDS method has advantages...

A magnetically levitating capsule train, which runs inside the sub-vacuum tube, can reach ultra-fast speeds by dramatically reducing the aerodynamic drag and friction. The capsule train uses the superconductor electrodynamic suspension (SC-EDS) method for levitation. The SC-EDS method has advantages, such as a large levitation gap and free of gap control, which could reduce the infra-construction cost. On the other hand, disadvantages, such as the large variation of the levitation-guidance gap and small damping characteristics in levitation-guidance force, could degrade the running stability and ride comfort of the capsule train. In this study, a dynamic analytical model of a capsule train based on the SC-EDS was developed to analyze the running dynamic characteristics. First, as important factors in the capsule train dynamics, the levitation and guidance stiffness in the SC-EDS system were derived, which depend non-linearly on the velocity and gap variation. A 3D dynamic analysis model for capsule trains was developed based on the derived stiffness. Through the developed model, the effects of the different running speeds on the ride comfort were analyzed. The effects of a disturbance from infrastructure, such as the curve radius, tube sag, and connection joint difference, on the running stability of the capsule train, were also analyzed.

주제어

표/그림 (23)

그림 Fig. 1. Concept of the capsule train[1]
그림 Fig. 2. Capsule train vehicle with superconductor magnet[1]
그림 Fig. 3. Tube guideway with propulsion, levitation and guidance coil[1]
표 Table 1. Major components of the capsule train and their weights[1]
그림 Fig. 4. Superconductor magnet coil and null flux coil[1]
그림 Fig. 5. Primary and secondary suspension
그림 Fig. 6. Parameters of the superconductor magnet and null flux coil[1]
표 Table 2. Specification of the SC-EDS system[1]
그림 Fig. 7. Levitation and guidance force at 1,000 km/h with z offset(-30 mm) and y(-20 mm) offset
그림 Fig. 8. Levitation stiffness depending on velocity and z offset
그림 Fig. 9. Levitation stiffness depending on z and y offset
그림 Fig. 10. Guidance stiffness depending on velocity and y offset
표 Table 3. Analysis conditions
그림 Fig. 11. Guidance stiffness depending on y and z offset
그림 Fig. 12. Capsule train model for dynamic analysis
그림 Fig. 13. Guideway irregularity
그림 Fig. 14. Bogie displacement at 600 km/h
그림 Fig. 15. Carbody acceleration at 600 km/h
그림 Fig. 16. Carbody acceleration according to velocities
그림 Fig. 17. Lateral bogie displacement at curve running
그림 Fig. 18. Vertical bogie displacement according to tube sag
그림 Fig. 19. Vertical bogie displacement according with connection joint difference
표 Table 4. Acceptable curve radius

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 튜브 안을 초전도 유도 반발식 방법으로 부상하여 주행하는 캡슐트레인에 대해서 동특성 해석 모델을 구축하고 주행 특성을 분석하였다. 먼저 캡슐트레인의 고유 특성인 초전도 유도 반발식 부상에 의해 캡슐트레인의 일차 현가장치에 발생하는 비선형 부상·안내 강성을 도출하였고, 이러한 강성이 적용된 캡슐트레인의 3D 동역학 해석 모델을 구축하였다.
따라서 SC-EDS 부상특성을 고려한 차량의 주행 동특성을 분석하고 이를 기반으로 한 주행 안정화 장치의 적용을 통해 주행 안정성 및 승차감을 향상시켜야 한다. 본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발을 진행 중인 캡슐트레인에 대해서 동특성 해석 모델을 구축하고 여러 주행 조건에서 주행안정성과 승차감에 영향을 미치는 동특성을 분석하였다. 특히, 캡슐트레인 동특성에 중요한 영향을 미치는 SC-EDS 부상 및 안내 강성을 도출하고 이러한 강성이 반영된 동특성 해석 모델을 구축하였다.

제안 방법

특히, 캡슐트레인 동특성에 중요한 영향을 미치는 SC-EDS 부상 및 안내 강성을 도출하고 이러한 강성이 반영된 동특성 해석 모델을 구축하였다. 구축된 동특성 모델을 이용하여 속도별 주행 특성이 승차감에 미치는 영향과 튜브 선로 불규칙도, 곡선 반경, 튜브 처짐 및 연결부 단차 등과 같은 주행 환경이 차량의 동특성 및 주행 안정성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 튜브 안을 초전도 유도 반발식 방법으로 부상하여 주행하는 캡슐트레인에 대해서 동특성 해석 모델을 구축하고 주행 특성을 분석하였다. 먼저 캡슐트레인의 고유 특성인 초전도 유도 반발식 부상에 의해 캡슐트레인의 일차 현가장치에 발생하는 비선형 부상·안내 강성을 도출하였고, 이러한 강성이 적용된 캡슐트레인의 3D 동역학 해석 모델을 구축하였다.
본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발을 진행 중인 캡슐트레인에 대해서 동특성 해석 모델을 구축하고 여러 주행 조건에서 주행안정성과 승차감에 영향을 미치는 동특성을 분석하였다. 특히, 캡슐트레인 동특성에 중요한 영향을 미치는 SC-EDS 부상 및 안내 강성을 도출하고 이러한 강성이 반영된 동특성 해석 모델을 구축하였다. 구축된 동특성 모델을 이용하여 속도별 주행 특성이 승차감에 미치는 영향과 튜브 선로 불규칙도, 곡선 반경, 튜브 처짐 및 연결부 단차 등과 같은 주행 환경이 차량의 동특성 및 주행 안정성에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

차량의 앞부분과 뒷부분에 동력실이 있고 중간에 승객실이 있는 구조로, 승객실에는 20명의 승객이 탈 수 있으며, 동력실은 초전도 전자석이 부착된 대차와 배터리 및 각종 전장품으로 구성된다. 차량의 높이, 폭, 길이는 각각 1.46 m, 1.4 m, 26 m 이며, 차량의 주요 부품에 대한 무게는 Table 1에 나타나 있다. Fig.
2는 캡슐트레인 차량의 조감도이다. 차량의 앞부분과 뒷부분에 동력실이 있고 중간에 승객실이 있는 구조로, 승객실에는 20명의 승객이 탈 수 있으며, 동력실은 초전도 전자석이 부착된 대차와 배터리 및 각종 전장품으로 구성된다. 차량의 높이, 폭, 길이는 각각 1.

성능/효과

곡선 주행 시 발생하는 원심력에 의한 대차의 변위를 검토하여 속도별로 허용 곡선 반경을 분석한 결과, 1,000 km/h의 속도에서는 85 km의 곡선 반경이 필요하고, 400 km/h의 속도에서는 25 km의 곡선 반경이 필요함을 알 수 있었다. 거더 사이의 거리가 30 m 이고 최대 처짐이 10 mm인 튜브를 600 km/h의 속도로 주행할 때의 주행 특성을 분석한 결과, 대차 변위가 2.8배 정도 증가함을 알 수 있었고, 10 mm와 30 mm 크기의 튜브 연결부 단차를 같은 속도로 통과할 경우 대차의 변위가 각각 1.5배 및 4배로 커져 주행 안정성이 악화됨을 확인할 수 있었다.
또한, 곡선 반경, 튜브 처짐 및 튜브 연결부와 같은 인프라 요소가 캡슐트레인의 주행 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 곡선 주행 시 발생하는 원심력에 의한 대차의 변위를 검토하여 속도별로 허용 곡선 반경을 분석한 결과, 1,000 km/h의 속도에서는 85 km의 곡선 반경이 필요하고, 400 km/h의 속도에서는 25 km의 곡선 반경이 필요함을 알 수 있었다. 거더 사이의 거리가 30 m 이고 최대 처짐이 10 mm인 튜브를 600 km/h의 속도로 주행할 때의 주행 특성을 분석한 결과, 대차 변위가 2.
구축된 모델을 이용하여 캡슐트레인의 대차 동특성을 분석한 결과, 수평 및 수직 방향의 변위 폭이 각각 약 53 mm와 21 mm로 나타났다. 승차감과 연관된 차체의 수평·수직 방향 가속도를 분석한 결과, 일부 속도 대에서 ISO 기준의 승차감 한도를 초과하고 있는 것으로 분석되어 추후 개선이 필요함을 알 수 있었다.

후속연구

구축된 모델을 이용하여 캡슐트레인의 대차 동특성을 분석한 결과, 수평 및 수직 방향의 변위 폭이 각각 약 53 mm와 21 mm로 나타났다. 승차감과 연관된 차체의 수평·수직 방향 가속도를 분석한 결과, 일부 속도 대에서 ISO 기준의 승차감 한도를 초과하고 있는 것으로 분석되어 추후 개선이 필요함을 알 수 있었다.
이와 같은 캡슐트레인 동특성 해석 모델을 이용한 주행 특성 분석 결과는 향후 캡슐트레인 및 인프라 설계 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 예상 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캡슐트레인이란 무엇인가?	현재 한국철도기술연구원에서 국내 최초로 개발 중인 캡슐트레인은 공기가 희박한 아진공 튜브 안을 자기 부상된 상태로 주행하는 열차(Fig. 1)로 공기저항과 마찰저항이 기존의 열차보다 매우 작기 때문에 1,000 km/h 이상의 초고속 주행이 가능할 것으로 예상된다[1,2].
	캡슐트레인에서 사용되는 부상방식의 한계점을 극복하기 위한 방안은 무엇인가?	그러나 SC-EDS 부상 특성상 부상 공극의 변화가 커서 과도할 경우 주행 안정성에 문제가 될 수 있고, 부상력에 댐핑 특성이 거의 없기 때문에 주행 시 외란에 의해 발생하는 진동 절연 효과가 적어 승차감이 악화 될 수 있다[4,5]. 따라서 SC-EDS 부상특성을 고려한 차량의 주행 동특성을 분석하고 이를 기반으로 한 주행 안정화 장치의 적용을 통해 주행 안정성 및 승차감을 향상시켜야 한다. 본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발을 진행 중인 캡슐트레인에 대해서 동특성 해석 모델을 구축하고 여러 주행 조건에서 주행안정성과 승차감에 영향을 미치는 동특성을 분석하였다.
	초전도 전자석을 이용한 유도 반발식의 장점은?	1)로 공기저항과 마찰저항이 기존의 열차보다 매우 작기 때문에 1,000 km/h 이상의 초고속 주행이 가능할 것으로 예상된다[1,2]. 캡슐트레인에서 사용하는 부상방식은 초전도 전자석을 이용한 유도 반발식(SC-EDS: Superconductor Electrodynamic Suspension, 이하 SC-EDS) 부상으로 별도의 부상제어가 필요 없고, 부상 공극이 10 cm 이상으로 커서 인프라 건설비용을 절감할 수 있는 장점이 있다[3]. 그러나 SC-EDS 부상 특성상 부상 공극의 변화가 커서 과도할 경우 주행 안정성에 문제가 될 수 있고, 부상력에 댐핑 특성이 거의 없기 때문에 주행 시 외란에 의해 발생하는 진동 절연 효과가 적어 승차감이 악화 될 수 있다[4,5].

참고문헌 (8)

Core technology development of subsonic capsule train, Annual Report. Korea Railroad Research Institute, Korea, 2018.
E. Musk, Hyperloop Alpha. White paper, 2014.
H. James, "Technical assessment of maglev system concepts," US army corps of engineers. 1998.
J. He, H. Coffey, "Magnetic damping forces in figure-eight-shaped null-flux coil suspension systems," IEEE Transactions on Magnetics, 33(5), pp.4230-4232, 1997.

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K. Higashi, S. Ohashi, H. Ohsaki, E. Masada, "Magnetic damping of the electrodynamic suspension-type superconducting levitation system," Electr. Eng. JPN., 127(2), pp.49-60, 1999. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1520-6416(19990430)127:2%3C49::AID-EEJ7%3E3.0.CO;2-X

상세보기
S. Ohashi, H, Ohsaki, E. Masada, "Running Characteristics of the Magnetically Levitated Train in a Curved Track Section," IEEE Transactions on Magnetics, 33, pp.4212-4214, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/20.619713

상세보기
H. Claus, W. Schiehlen, "Modeling and simulation of railway bogie structural vibrations," J Vehicle System Dynamics, 29(S1), pp.538-552, 1998. DOI: https://doi.org/10.1080/00423119808969585

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ISO 2631-1. Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements. International Organization for Standardization. 1997.

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