Pantograph는 전기 철도에서 전기를 동력으로 하는 철도 차량이 외부로부터 전력을 공급받기 위해서 사용하는 장치이다.
위 사진과 같이 지형적인 문제로 인해서 Overhead line (OHL)의 높이가 변하는 상황이 있기 때문에 높이 변화에 대응하면서 충분한 접촉을 유지하기 위해서는 팬터그래프가 사용되어야한다.
가장 단순한 형태의 팬터그래프는 위 사진과 같이 스프링을 끼운 봉 하나를 사용하는 것이다. 스프링은 탄성력에 의해서 collector의 높이가 계속 변할 수 있다.
하지만 이러한 형태는 수평적 방향의 지지가 없기 때문에 안정성이 떨어진다.
그러한 수평적 지지 문제를 해결하기 위해서 위 사진처럼 스프링을 옆면에 달고, collector를 기울이는 구조를 사용할 수 있다.
하지만 스프링의 과도한 힘에 의해서 OHL이 위 사진과 같이 끊어질 수도 있다.
해당 문제를 해결하기 위해 위 사진처럼 줄을 연결하여 스프링의 힘에 균형을 맞춘다. 또, collector 부분에 파인 구리 head를 사용해서 정렬이 더욱 잘 되도록 하는 구조를 Trolley pole collector라고 한다.
하지만 이런 구조는 기차가 달리면서 head와 OHL 사이의 마찰이 크기 때문에 head의 수명이 2-3주 밖에 되지 않는다는 문제가 있다.
이는 collector head를 수평으로 만들고, cable을 지그재그로 만들어서 해결할 수 있다. OHL과 collector head가 접촉하는 부분이 계속해서 변하기 때문에 마모의 속도를 늦출 수 있다. 이런 구조를 통해서 기차는 35 ~ 100 km/h 의 속도로 달릴 수 있다.
하지만 속도가 빨라짐에 따라 이러한 구조의 문제점이 발생하는데, 유체의 움직임은 collector의 하부에 vortices를 만들어 진동을 유발하고, collector가 아래로 힘을 받게 만들어 collector가 접촉을 잃게 만든다.
이 문제를 해결하기 위해 위 사진과 같은 Diamond Pantograph가 제시되었다. 스프링이 수평으로 연결되어 스프링이 늘어나면 collector가 내려가게 된다.
스프링의 길이를 조절하기 위해서는 공압 피스톤을 사용한다. 운전자가 공기의 압력을 높이면 오른쪽 사진처럼 스프링이 줄어들고 collector의 높이가 올라가게 된다. 따라서 collector가 OHL과 항상 접촉할 수 있게 된다.
또한, 위 사진처럼 유체가 흘러가기 때문에 진동의 문제도 해결된다. 하지만 이러한 Diamond Pantograph는 구조상 무게가 많이 나가기 때문에 위 아래로 조작하는데 많은 에너지가 필요로 한다.
이에 따라 제시된 것이 현대에 주로 쓰이는 Single Arm Pantograph이다. 이 구조는 위 사진처럼 Upper arm과 Lower arm으로 구성되어 있다.
이제 이 팬터그래프의 원리에 대해서 자세하게 알아보자. Lower arm의 구조를 자세히 보면 Four bar linkage mechanism으로 이루어져 있다는 것을 알 수 있다.
위 사진들처럼 초록색의 bar를 회전시키면 노란색의 bar가 이루는 각도가 많이 변하게 된다.
이제 노란색 bar를 연장시킨 후, 그 끝에 collector head를 추가한 모습을 보면 이 메커니즘을 통해서 collector head의 높낮이가 크게 변할 수 있다.
하지만 이렇게만 만들면 위 사진처럼 collector head는 upper arm에 연결되어 있어 높낮이가 달라짐에 따라서 collector head와 OHL이 이루는 각이 달라지게 된다.
이는 위 사진처럼 balancing rod를 lower arm과 collector head에 연결해서 해결할 수 있다.
balancing rod가 없다면 upper arm이 내려감에 따라 왼쪽 사진처럼 해당 부분의 길이가 짧아져야한다. 하지만 balancing rod의 길이가 짧아질 수는 없기 때문에 collector head를 밀어내게 되고, collector head의 기울어짐을 없애준다. 즉, 이를 통해서 collector head는 항상 수평의 상태를 유지할 수 있는 것이다.
한편, collector head에는 위 사진과 같이 Horns가 달려있는데, 이는 기차가 선로를 바꾸는 과정에서 OHL도 같이 바꿔야하는데, 이를 더욱 매끄럽게 하기 위해서 존재하는 것이다.
또, OHL을 통해서 공급되는 전압은 25,000V에 달하기 때문에 위 사진처럼 높은 저항을 가지는 절연체를 사용해서 기차와 팬터그래프 사이에 넣어서 사용한다.
실제 기차에서는 팬터그래프가 뒷쪽에 붙어 있는 모습을 종종 볼 수 있는데, 이는 유체역학적으로 drag force를 줄이기 위해서이다.
기차가 지나가면서 기차 위로는 위 사진처럼 boundary layer가 생기게 되는데, 팬터그래프가 뒤에 존재해야만 더욱 느린 속력의 공기와 마주치게 된다. 따라서 drag force가 작아질 수 있는 것이다.
또, 팬터그래프가 앞 뒤로 두개가 있는 경우도 있는데, 이는 기차가 반대 방향으로 달릴 때를 위한 것이다. 기차가 반대 방향으로 달릴 경우에는 왼쪽 사진처럼 팬터그래프에는 vortices가 발생하게 되고 진동에 의해 OHL과 접촉을 잃을 수도 있고, drag force가 커지기도 한다.
따라서 반대 방향으로 갈 때는 오른쪽 사진처럼 뒷쪽의 팬터그래프는 접어서 사용하지 않고, 반대로 앞쪽에 달린 팬터그래프를 사용한다.
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