동력분산식

같은 출력이라고 해도 한 대 혹은 두 대가 전체 편성을 밀거나 끌어야 하는 동력집중식과는 달리, 동력분산식은 여러 대의 객차 곳곳에 동력과 제동력이 분산되어 있기 때문에 정지상태에서 가속과 역 진입 시 감속이 빠르다. 이는 모터 출력과는 관계없이 동력차의 바퀴와 레일 사이의 최대정지마찰력[3]으로 가속력이 제한되기 때문이다. 최대정지마찰력을 넘어서 출력을 넣으면 바퀴는 헛돌아버리며 이 경우 레일과 바퀴 사이에는 운동마찰력이 적용되는데 초등학교 과학 시간에 배웠듯 운동마찰력은 최대정지마찰력보다 작기 때문에 결과적으로 출력은 높였는데 가속은 안 되는 상황에 빠지게 된다. 마찰력은 수직항력에 비례하므로 결국 열차의 가속에 쓸 수 있는 힘은 동력차의 무게×정지마찰계수를 넘길 수 없다는 얘기.[4] 그렇다고 무턱대고 기관차를 무겁게 만들면 질량이 증가하므로 당연히 가속이 부족해지게 된다. 이를 타개하기 위한 방법이 바로 모든 객차에 동력을 공급하는 것이다. 이 경우 각각의 차에서 내는 출력은 기관차 하나로 끌 때보다 적게 필요하지만, 이 최대정지마찰력 한계는 각각의 객차마다 적용되므로 결과적으로 더 큰 가속력을 낼 수 있게 되는 것. 쉽게 말하면 기관차의 마찰력 이내로만 가속이 가능한 게 동력집중식, 동력객차를 포함한 열차 전체의 마찰력 이내로도 가속이 가능한 게 동력분산식이라 보면 된다. 예를 들어, 평택역에서 동력집중식인 무궁화호와 동력분산식인 전동열차가 동시 출발하면 제로백은 전철이 더 빠르다. 그렇기 때문에 역 간 거리가 짧은 도시철도용 차량은 거의 100% 동력분산식을 채택하고 있다. 그러나 중고속 영역에서는 출력 자체가 줄기 때문에 최대정지마찰력 한계가 걸리는지의 여부보다는 공기 저항 등 주행 저항에 좌우되므로 동력 집중/분산 여부와는 관련이 없다. 전동차는 각진 전면부를 가진 것도 있는 반면, 고속열차는 KTX-I, KTX-산천 할 것 없이 유선형인 이유. 다만 동일 편성, 동일 출력일 경우 동력분산식이 집중식에 비해 불리하다. 분산식의 경우 구동계에서 발생하는 동력손실이 집중식에 비해 크기 때문이다. 분산식은 돌려야 할 기어도 많고 돌려야 할 축도 많은 데다가 자연히 구동계 내부에서의 마찰력으로 발생하는 동력손실도 더 크다.

동력분산식을 채택하는 가장 큰 이유. 똑같은 10량 편성일 경우, 동력집중식인 경우에는 최소 1량이 기관차로 날아가지만 동력분산식은 동력 장치가 차량 밑에 있기 때문에 10량 전체에 여객 또는 화물을 실을 수 있다. 즉 공간이 효율적으로 활용될 수 있다. 따라서 사람을 무조건 많이 실어야 하는 도시철도용 차량이 동력분산식을 사용하는 이유 중의 하나이다. 대신 구동계통이 들어가기 때문에 바닥이 높아져 각각의 객차 내부 공간은 협소해지나, 어차피 사람 키는 다 거기서 거기기 때문에 사람 싣는 것이 목적인 도시철도에서는 큰 문제가 되지 않는 것. 그러나 무조건 화물을 많이 적재하면 장땡인 화물열차에서는 이 장점이 성립하지 않는다. 분산식 화물열차가 드문 이유.

동력집중식, 특히 기관차가 1량인 경우 달리던 중간에 기관차가 퍼져 버리면 꼼짝 없이 전체 편성이 올스톱이 되지만, 동력분산식의 경우에는 동력차 5대가 있다고 했을 때 1대 정도 고장이 났다고 치더라도 어떻게든 움직일 수가 있다. 즉 90km/h로 달릴 걸 60km/h 이하로 달려야 하지만 그래도 아예 못 달리는(...) 것보다는 훨씬 낫다.

철도 노선 건설을 할 때, 특히 교량 같은 경우에는 "이 위로 지나다닐 열차 중 가장 무거운 놈이 몇 톤인가"를 기준으로 한다. 동력집중식인 경우에는 전술했듯 마찰력 관계로 겁나게 무겁게 만든 기관차가 상대적으로 가벼운 객차들을 끌고 다니는 식이기 때문에 이런 걸 모두 기관차 기준에 맞춰야 하지만, 동력분산식의 동력 차량의 경우 객차보다는 무겁지만 기관차보다는 가볍기 때문에 이런 점에서 자유롭다. 특히 주목할 것은 노선 수리비의 절감. 무거운 열차일수록 궤도의 수리비가 많이 들어가기 때문에 축중이 가벼운 동력분산식 열차는 궤도 유지비에 있어 도움을 준다. 일본이 장거리 열차에도 유달리 동력분산식 열차를 고집하는 이유 중 하나도 궤도의 축중 제한이 지나치게 낮게 설정되어 동력집중식 열차를 운용하는 것이 부담스러웠기 때문으로, 1960년대에 장거리 고성능 동력분산식 전동차/디젤동차를 제조할 능력을 갖추면서 동력집중식 열차들이 빠르게 소멸되어 갔다.

철도 차량에 사용되는 모터는 소형화가 필수적이므로 구조 설계가 복잡해지고 가격도 올라간다. 그런데, 동력집중식은 그나마 거대한 선두차량에 이를 탑재할 수 있는 반면 동력분산식은 이걸 각 차량에 집어넣어야 하니 필연적으로 객차 아래, 즉 대차 옆 등 자투리 공간에 쑤셔넣어야 해서 구조 설계 및 가격에서 더더욱 불리하다. 도입 비용이 증가한다는 의미다. 동력집중식과 달리 각 차량에 모터가 있으니 점검 시간도 길어지고 이는 인건비 상승으로 이어진다. 유지 비용도 올라간다는 의미다.
철도회사가 충분한 기술력과 정비 시스템을 가지고 있다면 동력분산식의 장점에서 설명한 수많은 장점이 노반 및 선로용량에 크게 유리하고 이게 다 이익이 되기에[6] 동력분산식을 채택할 수 있다. 그러나 그러한 인프라가 빈약한 개도국은 동력분산식을 채택하기 어렵다. 개도국 철도에서 동력분산식을 보기 어려운 이유 중 하나.

기계 장비의 경우 같은 출력에서 장비가 소형화될수록 에너지 효율이 떨어지는 경우가 일반적인데 동력분산식 또한 모터의 크기가 작아지고 여러 대가 달리게되기 때문에 마찬가지다.

동력분산식의 최대 문제점. 특정한 상황에서 수요가 갑자기 늘거나 줄어들 경우, 기관차로 견인하는 경우라면 견인력이 허용하는 범위 내에서라면 객차/화차를 자유롭게 붙이고 뗄 수 있지만, 동력분산식의 경우에는 몇 개의 동력차와 무동력차가 하나의 유닛을 이루고 있기 때문에 편성을 자르거나 덧붙이기가 매우 난감하다.
여객 분야에서 이 문제를 해결하는 방법은, 작은 량수의 열차 여러 편성을 수요에 따라 병결 운행하는 방식이다. 한국에서는 수도권 전철에서 한번 시도했으나 병결 운행 시 PSD 문제 때문에 포기했지만, 유럽에서는 상당히 자주 볼 수 있다.
이 문제가 가장 치명적인 분야는 화물이다. 화물 열차는 규격화가 된 객차 단위를 더하거나 빼기만 하면 되는 여객 열차와 달리 편성이 화물에 따라 유동적이고, 조차장이나 화물 열차 시설에서 차량을 분리 및 연결하는 작업이 필요하다. 그래서 화차와 기관차 등 차량 단위로 움직이는 것이 기본적으로 요구된다. 그러나 동력분산식 열차는 열차 단위로 움직이므로 각 차량을 빼거나 붙이는 조성 작업이 불가능하다. 따라서 일부 컨테이너 화물을 제외하면, 동력분산식 열차는 화물 열차로 쓰이기 힘들다. 물론 이 문제는 처음에 뽑을때부터 편성조성을 전차량 동력운전칸(Mc)으로(혹은 기관차 개념을 도입해서 소수만 기관차 역할을 하도록 지정하여 Mc로 하고 나머지를 전부 M칸으로 하는 방법도 가능하다.) 때려박아서 모든 칸이 동력차로써의 기능을 가져서 자유자재로 객차 이어붙이듯이 조절 가능하다면 해결할 수 있긴 하다. 어마무시하게 비싸지는 차값과 거지같은 에너지 효율이 문제지만. 실제로 일본 등지에서는 다수의 단량 동차[7]를 가지고 저런 식으로 쓰기도 한다.

차 밑에서 모터나 엔진이 돌아가기 때문에 진동 및 소음이 심하다. 이런 이유로 동차 천국 일본에서도 그린샤(=특실)은 거의 전부 무동력차로 들어간다.[8] 최근 신칸센 차량들은 진동의 경우 거의 다 잡아냈지만 소음만은 어쩔 도리가 없어 객실 내부로 모터 돌아가는 소리가 끊임없이 들려온다.[9] 특히 차 안에서 누워 자야 하는 침대열차는 대부분의 지역에서 아직도 기관차 견인 방식을 이용한다.[10] 특히 국내의 경우에도 구형 전동차(코레일 1000호대 등)을 탑승해보면 꺼어억 하는 변속 소리가 난다. 물론 지금은 소음 문제가 상당히 개선되었지만, 모터카를 탄 경우에는 모터음과 브레이크 소리 등이 상당히 거슬린다.
단,KTX-I의경우 1,18호차를 타면 소음이 장난이 아니다.

동력분산식 열차는 편성 안에 2층 열차를 구성하는 것이 동력집중식 열차보다 어렵다. 동력집중식은 모든 장치가 기관차에 존재해, 객차 부분에 동력 장치나 전장품이 없거나 적다. 그래서 객차 전 차량을 2층 열차로 구성해도 어려움은 없다. 그러나 동력분산식은 동력 장치를 소형화 하여 열차에 분산시키는 방식이므로 객차 부분에도 동력 장치와 전장품이 존재한다. 따라서 열차 하부까지 공간으로 활용하는 2층 열차를 동력분산식 열차에 구성할 경우 동력 장치와 전장품을 더욱 압축 시켜야 하는 애로사항이 존재한다. 따라서 동력분산식 열차는 편성 안의 부수차(동력차가 아닌 차량) 1~2량만을 2층 열차로 사용하거나, 차량 성능의 저하나 차량 비용의 상승을 감내하고서 그 이상의 차량을 2층 열차로 사용한다. 또한 이로 인해 가속력이 떨어지는 단점이 있다
이런 점 때문에 같은 길이의 동력분산식 2층열차와 동력집중식 2층열차를 비교했을 때 동력분산식 쪽의 여객 수송력이 떨어지는 경우도 있다.
그렇다고 이런 동력분산식 2층열차가 아예 없는 건 아닌데, 독일의 누리로 포지션인 RE의 봄바르디어제 신형 차량 중 일부가 이런 구조를 가진 채로 들어와 운행중이며 프랑스의 광역철도인 RER의 차량 중에도 이런 2층 전동차가 있다. 당장 일본에는 신칸센 차량 중 2층열차가 운행하고 있다.

동력분산식 열차는 모터나 엔진이 하나만 꺼져도 다른 모터나 엔진을 통해서 역까지 가거나 입고하면 되지만, 동력계 전체에 영향을 주는 치명적인 고장이 발생할 경우에는 기관차 편성보다 대처하는 데 더욱 불리한 사항이 발생한다. 기관차 편성일 경우는 기관차만 교체하면 계속 운행할 수 있지만, 동력분산식 편성의 경우는 객실 내 전원 공급이 가능하다면 편성 째로 구원 기관차에 연결하거나, 이것도 불가능하다면 고장 열차 승객을 수용할 수 있을 만큼의 열차를 찾아서 투입시켜야만 계속 운행이 가능하기 때문이다.[11] 이 점은 동력집중식 동차 역시 같은 문제점을 안고 있다.[12]