[논문]초고속 회전체용 공기 포일 베어링의 동특성 계수 측정을 위한 전자석 가진장치에 관한 연구

박철훈; 최상규; 함상용

doi:10.5293/kfma.2013.16.3.018

초고속 회전체용 공기 포일 베어링의 동특성 계수 측정을 위한 전자석 가진장치에 관한 연구
Study on the Electromagnetic Excitation System for the Measurement of Dynamic Coefficients of Air Foil Bearing for High Speed Rotor 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.16 no.3, 2013년, pp.18 - 25

박철훈 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 최상규 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 함상용 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently the requirement of long-term mobile energy source for mobile robot or small-sized unmanned vehicle is highly increased, and the micro turbine generator(MTG) which is known to have high energy and power density is under development. MTG is designed to have air foil bearing and high speed rotor of which operating speed is 400,000rpm. In the development stage of high speed rotor and bearing, stability analysis for the full operational speed range is essential and the dynamic coefficients such as stiffness and damping coefficients of bearing depending on the rotational speed are required for that. Although perturbation method is usually used to identify the dynamic coefficients, it's not easy to give the perturbation to the high speed rotating rotor. In this study, we present the dynamic coefficients measurement system for air foil bearing which consists of electromagnets, gap sensors, high speed motor and controller. This measurement system can exert the sine sweep force to the rotor-bearing, measure the displacement of rotor and get FRF(Frequency response function) of rotor-bearing. The least square estimation method is applied to identify the dynamic coefficients of bearing from the measured frequency response at the different rpm and the identified dynamic coefficients for the wide rotational speed range are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초고속으로 회전하는 회전체에 사인파 전자기력을 이용하여 가진함으로써 베어링 동특성을 측정할 수 있는 전자석 가진장치를 설계하고 실험에 이용하는 과정을 제시하였다. 전자석 가진시 초고속회전에 의한 와전류 발생을 최소화하기 위하여 Homopolar 형 전자석을 설계하여 배치하였으며, 가진방향을 수직방향, 수평방향으로 선택할 수 있도록 시스템을 설계하였다.

제안 방법

^(7)-(12) 전자기력으로 회전체를 가진하면 비접촉으로 가진할 수 있으므로 회전체-베어링에 손상이 가지 않으며 정현파 소인 방식으로 일정 주파수 범위의 회전체-베어링계의 주파수 응답(FRF, Frequency response function)을 측정할 수 있으므로 베어링의 강성 및 댐핑계수를 보다 정확히 측정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 전자기력으로 초고속 회전체를 가진할 수 있는 전자석형 가진 장치를 설계, 제작하여 이용한다. 한편, 가진하는 회전체가 수만 rpm 이상으로 회전하는 초고속회전체인 경우에는 자속에 의해 와전류가 발생하여 회전체에 고열이 발생할 수 있으며, 15mm이하의 작은 직경의 회전체를 전자기력을 이용하여 가진하기 위해서는 자로를 형성하기 위한 자성체가 회전체 내에 포함되에 제작되어야 한다.
이를 위해 전자석과 갭 센서는 X-Y stage를 이용하여 회전체로 부터의 간극을 미세하게 조절할 수 있도록 하였다. 또한 회전체에 대한 전자석의 가진이 수직방향 뿐아니라 수평방향으로도 수행되면서 측정할 수 있어야하는데, 이를 위해 전자석/센서 부분을 쉽게 회전시킬 수 있도록 Rotary stage를 이용하였다. Fig.
한편, 가진하는 회전체가 수만 rpm 이상으로 회전하는 초고속회전체인 경우에는 자속에 의해 와전류가 발생하여 회전체에 고열이 발생할 수 있으며, 15mm이하의 작은 직경의 회전체를 전자기력을 이용하여 가진하기 위해서는 자로를 형성하기 위한 자성체가 회전체 내에 포함되에 제작되어야 한다. 본 연구에서는 전자석, 갭센서, 초고속 모터 및 제어기로 구성된 베어링 동특성 측정장치를 설계하고, 이를 이용하여 회전속도 별로 회전체-베어링계를 정현파 소인법으로 가진하여 주파수응답함수를 측정한 후, 베어링 강성 및 댐핑계수를 예측하는 방법을 제시한다.
설계된 전자석과 선정된 갭센서를 이용하여 Fig. 6과 같이 베어링 동특성 측정장치를 설계하였다. 본 측정장치에서는 균일한 힘을 회전체의 양단에 가하고 정확하게 변위를 측정해야 전자석과 회전체, 갭센서와 회전체 사이의 간극이 정확한 값을 가지도록 설치하여야한다.
본 측정장치에서는 균일한 힘을 회전체의 양단에 가하고 정확하게 변위를 측정해야 전자석과 회전체, 갭센서와 회전체 사이의 간극이 정확한 값을 가지도록 설치하여야한다. 이를 위해 전자석과 갭 센서는 X-Y stage를 이용하여 회전체로 부터의 간극을 미세하게 조절할 수 있도록 하였다. 또한 회전체에 대한 전자석의 가진이 수직방향 뿐아니라 수평방향으로도 수행되면서 측정할 수 있어야하는데, 이를 위해 전자석/센서 부분을 쉽게 회전시킬 수 있도록 Rotary stage를 이용하였다.
제작된 전자석 가진장치를 이용하여 회전체 베어링계의 주파수응답함수를 측정하여 가진장치가 효과적으로 동작함을 확인하였다. 입력된 가진력과 측정된 회전체 변위에 최소자승법을 적용하여 베어링 동특성을 추정하였다.
본 연구에서는 초고속으로 회전하는 회전체에 사인파 전자기력을 이용하여 가진함으로써 베어링 동특성을 측정할 수 있는 전자석 가진장치를 설계하고 실험에 이용하는 과정을 제시하였다. 전자석 가진시 초고속회전에 의한 와전류 발생을 최소화하기 위하여 Homopolar 형 전자석을 설계하여 배치하였으며, 가진방향을 수직방향, 수평방향으로 선택할 수 있도록 시스템을 설계하였다. 초고속회전체에 전자석가 진력이 전달될 수 있도록, 자성체 코어를 회전체 내부에 열박음하여 제작하였다.
전자석 가진시 초고속회전에 의한 와전류 발생을 최소화하기 위하여 Homopolar 형 전자석을 설계하여 배치하였으며, 가진방향을 수직방향, 수평방향으로 선택할 수 있도록 시스템을 설계하였다. 초고속회전체에 전자석가 진력이 전달될 수 있도록, 자성체 코어를 회전체 내부에 열박음하여 제작하였다. 제작된 전자석 가진장치를 이용하여 회전체 베어링계의 주파수응답함수를 측정하여 가진장치가 효과적으로 동작함을 확인하였다.
9의 25만 rpm급 PMSM 모터를 새로 제작하여 사용하였다. 회전체에는 자기 flux path를 위한 순철 코어를 열박음하였다. 가진 전류의 크기와 주파수를 제어 및 데이터 취득을 위한 제어기로는 PC-104 controller를 사용하였으며 전류드라이버는 copley사 제품을 사용하였다.
위 사항들을 고려하여 Table 2와 같은 사양의 변위 측정 센서를 선정하였다. 회전체의 한 끝당 2개씩 총 4개의 갭센서가 설치되는데 X, Y방향 센서끼리의 간섭을 피하기 위하여 회전체의 같은 위치에 설치되는 센서에 대해서는 와전류 발생 주파수가 다른 센서를 설치하도록 하였다. Fig.

대상 데이터

회전체에는 자기 flux path를 위한 순철 코어를 열박음하였다. 가진 전류의 크기와 주파수를 제어 및 데이터 취득을 위한 제어기로는 PC-104 controller를 사용하였으며 전류드라이버는 copley사 제품을 사용하였다. Fig.
베어링 동특성 측정장치에서 회전체를 구동시키기위한 모터는 Fig. 9의 25만 rpm급 PMSM 모터를 새로 제작하여 사용하였다. 회전체에는 자기 flux path를 위한 순철 코어를 열박음하였다.

이론/모형

Massmann 등이 제시한 전달함수 행렬을 이용한 최소자승추정법 등을 이용하여 계산할 수 있다.^{(14, 15)} 본 연구에서는 참고문헌 (5)의 선행연구에서와 동일하게 C. R. Burrows가 제시한 방법을 이용하여 베어링의 동특성을 계산하였다.^{(5, 14)}
가진용 전자석을 회전체에 배치하는 방법으로는 Heteropolar 방식과 Homopolar 방식이 있다. Heteropolar 방식으로 전자석을 배치할 경우 회전체에 흐르는 자속이 계속 변하기 때문에 와전류가 발생하여 회전체의 온도가 크게 상승하는 문제가 있으나 Homopolar 방식은 회전체의 자속이 변하지 않기 때문에 전자석에 의한 회전체 온도영향이 거의 없다는 장점이 있어 Homopolar 방식으로 전자석을 설계 하였다. Table 1에 6N의 힘을 발생하기 위해 설계한 전자석의 사양을 나타내었다.
측정된 주파수 응답을 이용하여 베어링의 동특성을 계산하는 방법은 C. R. Burrows 등이 제시한 푸리어 계수를 이용한 최소자승추정법, H. Massmann 등이 제시한 전달함수 행렬을 이용한 최소자승추정법 등을 이용하여 계산할 수 있다.^{(14, 15)} 본 연구에서는 참고문헌 (5)의 선행연구에서와 동일하게 C.

성능/효과

강성계수 k_yy와 댐핑계수 c_yy는 축에 중력이 수직 방향으로 작용함으로 인해 발생하는 비대칭성으로 인해 수평 방향의 결과에 비해 상대적으로 작은 결과로 나타났다.⁽¹⁵⁾ 댐핑계수 c_xy , c_yx , c_yy는 회전속도가 증가할 수록 증가하는 경향을 보였으며, k_yx는 k_xx보다 작은 값을 보이지만 역시 회전속도가 증가할 수록 강성이 증가하였다. 강성 계수 k_xy는 음의 강성계수를 가지며 6만 rpm정도까지 감소하다 그 이상의 속도에서 증가하는 경향을 보였는데, 이는 공기포일 베어링의 강성이 상대적으로 낮을 경우 나타나는 현상이다.
저속의 회전체인 경우 임팩트 헤머를 사용하여 타격하고 고속의 경우에는 공기총을 사용하여 타격하는 방법이 있다.⁽⁵⁾ MTG에 적용되는 초고속 회전체의 경우 공기총을 이용할 수 있지만, 공기총을 이용할 경우 가진력을 조절하기 어렵고 회전체에 손상을 입힐 수 있다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 전자석이나 자기베어링을 이용하여 회전체를 가진함으로써 베어링의 동특성을 측정하는 방법이 사용된다.
댐핑계수 c_xx는 40∼50 N⋅s/m 범위의 값을 가지면서 회전속도가 증가할 수록 감소하는 경향을 보였다. 강성계수 k_yy와 댐핑계수 c_yy는 축에 중력이 수직 방향으로 작용함으로 인해 발생하는 비대칭성으로 인해 수평 방향의 결과에 비해 상대적으로 작은 결과로 나타났다.⁽¹⁵⁾ 댐핑계수 c_xy , c_yx , c_yy는 회전속도가 증가할 수록 증가하는 경향을 보였으며, k_yx는 k_xx보다 작은 값을 보이지만 역시 회전속도가 증가할 수록 강성이 증가하였다.
13에 각 단계의 회전속도에서 수평방향으로 가진하면서 수평방향의 진동을 측정한 주파수응답함수와 5차 curve-fitting 모델의 예를 나타내었다. 다음의 FRF 측정 결과를 통해 회전속도가 24,000 rpm에서 96,000rpm으로 증가함에 따라 원추모드가 전방모드(forward mode)와 후방모드(backward mode)로 나뉘어지고, 전방모드는 약 70Hz 에서 110Hz정도까지 증가하는 것을 알 수 있다. 여기서 전방모드란 원추모드에 의한 휘둘림 방향이 회전체의 회전방향과 일치하는 모드이며, 후방모드란 휘둘림방향이 회전체의 회전방향과 반대인 모드이다.
댐핑계수 cxx는 40∼50 N⋅s/m 범위의 값을 가지면서 회전속도가 증가할 수록 감소하는 경향을 보였다.
설계된 전자석이 필요한 만큼의 힘을 발생할 수 있는지 확인하기 위하여 전자기장해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 결과 전자석과 회전체사이의 정상 갭 1.2mm, 전류 10A의 조건에서 약 6.7N의 힘이 발생할 것으로 예측되었다. 이때의 자속분포를 Fig.
초고속회전체에 전자석가 진력이 전달될 수 있도록, 자성체 코어를 회전체 내부에 열박음하여 제작하였다. 제작된 전자석 가진장치를 이용하여 회전체 베어링계의 주파수응답함수를 측정하여 가진장치가 효과적으로 동작함을 확인하였다. 입력된 가진력과 측정된 회전체 변위에 최소자승법을 적용하여 베어링 동특성을 추정하였다.

후속연구

제작된 베어링 동특성 측정장치를 이용하여 초고속 회전체용 공기포일베어링 개발과정에 있어, 해석적인 방법으로 예측한 베어링의 동특성을 실험적으로 검증할 수 있다. 또한 측정된 베어링 동특성을 이용하여 MTG의 정격속도인 40만 rpm에서의 회전체 동역학 특성을 예측하는데 활용할 수 있다.
본 연구에서 설계하는 베어링 동특성 측정장치의 핵심부품인 가진용 전자석을 설계하기 위해서는 먼저 회전 중인 회전체에 특정 크기의 변위를 주기위해서 전자석이 어느 정도의 힘을 발생해야하는지 알아야한다. 선행 연구결과로 부터 MTG에 사용될 공기포일베어링의 강성은 약 3×10⁵N/m 정도라는 것을 파악하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MTG에 적용되는 초고속 회전체의 경우 베어링의 동특성 측정을 위해 공기총을 사용하면 어떠한 단점이 있는가	저속의 회전체인 경우 임팩트 헤머를 사용하여 타격하고 고속의 경우에는 공기총을 사용하여 타격하는 방법이 있다.(5) MTG에 적용되는 초고속 회전체의 경우 공기총을 이용할 수 있지만, 공기총을 이용할 경우 가진력을 조절하기 어렵고 회전체에 손상을 입힐 수 있다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 전자석이나 자기베어링을 이용하여 회전체를 가진함으로써 베어링의 동특성을 측정하는 방법이 사용된다.
	초고속 회전체에 사용되는 베어링의 동특성을 측정하기 위하여 어떠한 방법으로 회전체를 가진시키는가	초고속 회전체에 사용되는 베어링의 동특성을 측정하기 위해서는 임의의 방법을 사용하여 회전체를 가진시킨 후 가진에 의한 변위를 측정하여야한다. 저속의 회전체인 경우 임팩트 헤머를 사용하여 타격하고 고속의 경우에는 공기총을 사용하여 타격하는 방법이 있다.(5) MTG에 적용되는 초고속 회전체의 경우 공기총을 이용할 수 있지만, 공기총을 이용할 경우 가진력을 조절하기 어렵고 회전체에 손상을 입힐 수 있다는 단점이 있다.
	전자기력으로 회전체를 가진하면 어떠한 장점이 있는가	이를 극복하기 위해 전자석이나 자기베어링을 이용하여 회전체를 가진함으로써 베어링의 동특성을 측정하는 방법이 사용된다.(7)-(12) 전자기력으로 회전체를 가진하면 비접촉으로 가진할 수 있으므로 회전체-베어링에 손상이 가지 않으며 정현파 소인 방식으로 일정 주파수 범위의 회전체-베어링계의 주파수 응답(FRF, Frequency response function)을 측정할 수 있으므로 베어링의 강성 및 댐핑계수를 보다 정확히 측정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 전자기력으로 초고속 회전체를 가진할 수 있는 전자석형 가진 장치를 설계, 제작하여 이용한다.

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