전자기유도현상을 응용한 자기부상열차

소개글

전자기유도현상을 응용한 자기부상열차에 대한 보고서 자료입니다.

목차

￭ 설계 목표

￭ 주제 선정

￭ 관련 이론

￭ 역할 분담

￭ 추진 일정

본문내용

대로 구현이 되어있지 않은 미래적 기술인 자기부상열차에 매력을 느껴 주제로 선정하게 되었다.
관 련 이 론
전자기 유도 법칙
전류가 자기장을 형성한다는 사실이 알려지고 나서 자기장을 이용해 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문이 자연스럽게 생겼다. 패러데이와 헨리는 각각 전선 코일 속에 자석을 넣었다 뺐다 하는 단순한 운동으로 전선 속에 전류가 흐른다는 사실을 발견하였다. 이때 기전력을 만드는 것은 코일에 대한 자석의 상대적인 운동에 의한 자기장의 변화이다. 자석이 도체 주위를 움직이거나 도체가 자석 주위를 움직이는 두 가지 경우 모두 전선에 기전력이 유도되며 도선에 유도전류가 흐른다 .도선에 흐르는 전류의 크기는 코일에 감긴 전선의 수와 코일을 통과하는 자기장의 시간당 변화율에 비례한다. 이처럼 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하며, 이 관계를 나타낸 것을 패러데이의 법칙이라고 한다.
패러데이의 법칙
전선이 loop모양으로 되어 있을 때, loop 내의 자기장이 변하면, 변화에 비례하는 기전력(전압)이 생긴다는 법칙이다. 자기력선의 개념을 이용하여 패러데이의 법칙을 설명하면 다음과 같이 된다. 그림은 자기력선이 한 바퀴 감긴 전선(loop)사이를 지나고 있는 모습이다. 여기서 자속(Φ)는 자기력선의 量인데 이 값이 클수록 더많은 자기력선이 있다는 것을 의미한다. Loop의 면적이 크면 더 많은 자기력선이 지나갈 것이다.
패러데이의 법칙은 loop에 생기는 전압은 자기력선의 변화량에 비례한다는 것으로,식으로 나타내면 다음과 같다. 식에 - 부호가 붙은 것은 전류를 흘릴 때 발생하는 자기장의 방향과 자기장이 커질 때 발생되는 전류의 방향이 반대이기 때문이다. 이것을 정리한 것이 “자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐른다”라는 렌츠의 법칙이다.이 기전력(전압 : V)는 단위시간에 한 단면적을 통과하는 磁束量이다.이때 코일이 감겨져 있으면 감은수만큼 곱해주어야 한다.

수학적인 표현으로 나타내면 다음과 같이 된다.

식에서 E 는 전기장의 세기이다.결론은 다음과 같이 된다.



렌츠의 법칙
패러데이의 법칙이 유도기전력의 크기라면 렌츠의 법칙은 유도기전력의 방향에 대한 법칙이다.렌츠의 법칙은 자속의 변화가 생길때 유도전류는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다. 이것이 렌츠의 법칙인데 어떻게 유도되는 전류의 방향을 찾을까?
앙페르의 오른손 법칙을 이용하면 간단하다.앙페르의 오른손법칙을 이용하는 법은 오른손에서 엄지손가락을 제외한 나머지 손가락이 전류의 방향이 되고 엄지손가락이 n극 의 방향을 나타낸다.엄지손가락이 가리키는 방향의 반대방향은 s극이 된다.
(a) 를 예로들면 n극이 다가오므로 렌츠의 법칙에 의해 n극이 가까워 지는것을 방해하려면 코일의 위쪽이 n극이 되야하므로 엄지손가락은 윗방향이 되고 나머지 손가락의 반시게 방향로 감싸지므로 유도전류는 반시계방향이 된다.
(b)의 경우는 n극이 멀어지므로 렌츠의 법칙에 의해 n극이 멀어지는것을 방해하려면 코일의 윗쪽이 s극이 되어야하므로 엄지손가락은 아랫방향이 되고 나머지 손가락은 시게방향으로 감싸지므로 유도전류는 시계방향이 된다.
자기부상열차
자기부상열차가 움직이기 위해서는 열차를 선로로부터 띄우는 힘과 열차를 원하는 방향으로 진행시키는 두 가지의 힘이 필요하다. 열차를 선로에서 띄우는 방법은 크게 자석 양극의 반발력을 이용하는 반발식(electrodynamic suspension)과 자석과 자성체간의 인력을 이용하는 흡인식(electromagnetic suspension)으로 나눌 수 있다.
자석 양극의 흡인식
자석 양극의 반발식
일반적으로 반발식은 흡인식보다 제어 측면에서 장점을 갖지만, 저속에서는 코일에 유도된 자속이 차체를 띄울 수 있을 만큼 충분하지 못해 약 100km/h 이하의 속도에서는 바퀴를 사용해야 한다. 이에 비해 흡인식 열차는 차량의 부상력을 제어해 균형을 유지하는 부분이 복잡하지만 저속에서도 부상이 가능하다는 장점이 있다.
열차를 진행시키기 위해서는 선형모터를 사용한다. 선형모터는 일반적으로 알고 있는 모터의 원형 코일을 선형으로 편 형태이다. 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔주면 자기장이 바뀌어 열차와 선로 사이의 힘이 인력과 척력으로 주기적으로 바뀌게 된다. 따라서 기차의 진행속도에 따라 코일에 흐르는 교류의 진동수를 조절하면 열차에는 계속해서 진행방향으로의 힘만을 가할 수 있다.
자기부상열차는 60~65dB 정도로 소음이 매우 적고, 진동이 거의 없어 승차감이 좋으며, 평균 250km/h의 고속으로 운행할 수 있다. 또한 마찰에 의한 마모도 거의 없어 유지 및 보수 비용이 저렴하고 자석이 레일을 감싸기 때문에 탈선의 위험이 없다는 장점도 있다. 그리고 하중이 레일 전체에 분산되기 때문에 레일 구조물의 건설비가 적게 든다. 자기부상열차의 차량단가는 지하철의 2배이지만, 노선 1㎞ 건설비는 자기부상열차가 250억 원, 바퀴식 경전철이 300억 원, 지하철이 500억 원으로 경제적 이점이 있다. 그러나 바퀴식보다 약간 에너지 효율이 낮고, 자기장이 인체에 미치는 효과가 아직 밝혀지지 않아 이에 대한 연구가 필요하다.
예상 문제점
1. 전자석 사용에 있어서의 미숙함
전자석을 처음 접하고 사용함에 있어서 발생하는 미숙함으롱 인한 어려움이 예상된다. 전자석에 대한 더 많은 학습과 이론적 지식과 전자석에 대한 유경험자들의 조언역시 필요할 것.
2. 열차와 선로간의 적절하고 균형잡힌 반발력 구성의 어려움
열차가 선로를 따라 이동함에 있어 이동하는 동안 부양된 공간의 거리를 일정하게 유지해야 하고 이것은 즉 전자석으로 인해 구현된 기전력간의 오차가 매우 적어야 함을 의미한다. 해결 방안으로는 계속적인 수작업으로 코일의 권선 횟수 조절을 염두에 두고 있다.
3. 매끄러운 주행속도 구현에 있어서의 어려움
모형 열차가 선로 위에서 부상한 뒤 가장 중점적으로 구현해야 할 부분은 매끄러운 주행모습일 것이다. 속도가 일정하고 끊김없이 부드러운 움직임을 최대한 구현하는데 설계 완성의 포인트를 줄 것.
역 할 분 담
추 진 일 정

키워드

전자기,   유도,   전류,   열차,   법칙,   방향,   코일