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문제 정의
- 본 논문은 선박, 해양플랜트, 잠수정, 항공기, 자동차 등의 산업분야에서 실용화할 수 있는 자세 안정화/기동용 100Nm급 CMG 개발을 다루며, 시스템 요구사항 분석, 하드웨어 설계/제작, 시험장치 구성, 성능 시험/평가 등 전반적인 개발 과정을 제시한다. 특히 스핀모터의 3,000rpm 속도제어와 김벌모터의 위치제어 및 1rad/s 속도제어 성능을 시험하고 최종적으로 CMG가 100Nm급 토크를 생성함을 시험적으로 검증한다.
- 본 연구는 국내 연구기관의 축적된 인공위성 CMG 시스템설계 및 시험검증 기술과 모터전문 국내업체의 산업용 정밀모터 설계/제작 보유기술을 접목한 융복합(convergence and integration) 연구개발사업의 성공적 사례이다. 이러한 다양한 관련분야의 기술적 기여도를 바탕으로 이루어진 CMG 모터 개발은 향후 높은 안정성과 임무 수행능력을 요구하는 관련 산업시장에서 경쟁력을 강화시키는 주요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 본 연구를 통해 산업용으로 실용화될 수 있는 자세 안정화/기동용 100Nm급 CMG의 프로토타입 모델(prototype model)을 개발하였다. 개발된 CMG의 성능시험을 통해 스핀모터를 3,000rpm 정속으로 제어하고 김벌모터를 1rad/s 속도로 구동할 경우, 120Nm이상의 토크출력이 생성됨을 시험을 통해 확인하였다.
제안 방법
- 메탈 인쇄회로기판(printed circuit board)을 적용하여 전력소자의 냉각효율을 높일 수 있도록 설계하여 열 발생을 최소화하였으며, 3개의 인쇄회로기판이 적층된 구조로 설계하여 전체 사이즈를 소형화하였다. 개발된 인버터는 상위제어기로부터 펄스폭변조 신호를 인가받아 전력소자를 직접 구동하는 직접 펄스폭변조 방식을 적용하였으며 모션 컨트롤러와 핀 배열이 호환성 있도록 설계하였다.
- 그 밖에 스핀모터와 플라이휠의 기계적 결합을 위한 커플러(coupler)와 스핀모터부의 무제한 회전시 원활한 전기접속을 위해서 슬립링(slipring)을 설계하였다.
- 35kg-m2로 설계하였다. 김발모터의 회전시 플라이휠의 회전축에 자이로 효과에 의한 토크가 가해지는데 이를 고려하여 축과 베어링의 규격을 설계하였다.
- 김벌모터 단독 구동시험을 위해 우선 0deg의 위치명령에 대해서 0.01deg의 위치제어 정밀도 그리고 0rad/s의 속도명령에 대해서 0.015rad/s의 제어정밀도 성능을 확인하였다 (Fig. 13). Fig.
- 일반적인 인버터가 지능형 전력반도체 모듈(intelligent power module)을 사용하는 것과는 달리 본 연구에서는 개별소자 트랜지스터(MOSFET)를 사용하였고, 전류제어 특성을 향상시키기 위해 전류 출력타입의 고정밀전류 감지기(sensor)를 적용하였다. 메탈 인쇄회로기판(printed circuit board)을 적용하여 전력소자의 냉각효율을 높일 수 있도록 설계하여 열 발생을 최소화하였으며, 3개의 인쇄회로기판이 적층된 구조로 설계하여 전체 사이즈를 소형화하였다. 개발된 인버터는 상위제어기로부터 펄스폭변조 신호를 인가받아 전력소자를 직접 구동하는 직접 펄스폭변조 방식을 적용하였으며 모션 컨트롤러와 핀 배열이 호환성 있도록 설계하였다.
- 본 연구에서는 CMG 설계를 위해 시스템, 스핀모터부, 김벌모터부, 전력부, 기계 기구부, 구동 드라이버에 대한 주요 요구사항을 Table 1과 같이 분석하였다. 단, Table 1에 기술된 CMG 시스템 질량, 크기, 소모전력, 공진주파수 등은 실제 성능시험을 결과를 반영하여 작성되었다.
- 김발모터는 상부의 플라이휠과 커버(cover) 등기구부의 관성을 감안하여 1rad/s로 구동이 가능하도록 역기전력(back electromotive force) 특성을 지닌 모터로 선정하였다. 선정된 모터는 24V 전압 제한 하에서 11Nm이상의 토크를 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 플라이휠이 큰 관성을 가지면서 고속 회전하기 때문에 김발모터의 회전시 플라이휠의 회전축에 미치는 토크에 의한 시스템 성능 저하를 미연에 방지하는 것은 CMG 구조 설계에 있어서 가장 중요한 부분중 하나이다. 설계된 플라이휠과 스핀모터의 구조적 안정성을 확인하기 위하여 Fig. 5와 같이 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 모델(finite element model, FEM) 분석결과, 설계된 CMG가 공진주파수 56Hz이상의 구조강성을 가짐을 확인하였다.
- 스핀모터 단독 구동시험을 위해 정지상태에서 가속하여 3,000rpm의 정상상태 속도를 유지하는 시험을 수행하였다. 시험결과에 의하면 10분 이내에 3,000rpm에 도달하였으며 정상상태 속도오차가 0.
- 스핀모터와 김벌모터의 동시 구동시험을 위해 스핀모터 속도를 3,000rpm으로 유지한 상태에서 김벌모터를 1rad/s의 속도로 일정하게 회전시키면서 CMG에서 발생하는 3축 토크를 토크측정기를 통해 측정하였다. Fig.
- CMG 모터의 개발을 위해서는 구조, 진동, 전자, 제어, 가공, 시험 등 다양한 분야의 통합 최적설계기술이 필요하다. 이에 본 연구개발을 통하여 대형 모멘텀휠 및 김발 지지용 기계구조물 설계/제작, 고성능/대용량 DD(Direct Drive) 모터 개발 및 필드버스 지원 드라이브 설계 및 구동 제어, 베어링/윤활시스템의 진동/소음 저감 설계, 제어 모멘트 자이로의 시제품 제작/공정 등 CMG 시스템 전반에 대한 기술을 확보하였다.
- 인버터는 파워 소자부, 스위칭 회로 및 전류감지부, 전원 및 제어부의 인쇄회로기판을 3층으로 적층하여 제작되었으며, 기판들 간의 정확한 정렬을 위한 기구 구조물을 제작하였다. 인버터 케이스는 알루미늄 재질을 판금 처리하여 제작하였고, 파워소자부의 메탈 인쇄회로기판과 직접 결합되어 방열이 극대화 되도록 하였다. 제작된 인버터의 외형 및 내부 사진은 Fig.
- 인버터(inverter)는 1kW급으로서 김발모터와 스핀모터의 구동을 위해 50V이하의 직류 전원을 사용하도록 설계하였다. 일반적인 인버터가 지능형 전력반도체 모듈(intelligent power module)을 사용하는 것과는 달리 본 연구에서는 개별소자 트랜지스터(MOSFET)를 사용하였고, 전류제어 특성을 향상시키기 위해 전류 출력타입의 고정밀전류 감지기(sensor)를 적용하였다.
- 인버터는 파워 소자부, 스위칭 회로 및 전류감지부, 전원 및 제어부의 인쇄회로기판을 3층으로 적층하여 제작되었으며, 기판들 간의 정확한 정렬을 위한 기구 구조물을 제작하였다. 인버터 케이스는 알루미늄 재질을 판금 처리하여 제작하였고, 파워소자부의 메탈 인쇄회로기판과 직접 결합되어 방열이 극대화 되도록 하였다.
- 인버터(inverter)는 1kW급으로서 김발모터와 스핀모터의 구동을 위해 50V이하의 직류 전원을 사용하도록 설계하였다. 일반적인 인버터가 지능형 전력반도체 모듈(intelligent power module)을 사용하는 것과는 달리 본 연구에서는 개별소자 트랜지스터(MOSFET)를 사용하였고, 전류제어 특성을 향상시키기 위해 전류 출력타입의 고정밀전류 감지기(sensor)를 적용하였다. 메탈 인쇄회로기판(printed circuit board)을 적용하여 전력소자의 냉각효율을 높일 수 있도록 설계하여 열 발생을 최소화하였으며, 3개의 인쇄회로기판이 적층된 구조로 설계하여 전체 사이즈를 소형화하였다.
- 제작된 CMG에 대한 성능평가 및 향후 수행할 수명시험을 위하여 CMG 성능시험장치를 제작하였다. 성능시험장치는 Fig.
- 본 논문은 선박, 해양플랜트, 잠수정, 항공기, 자동차 등의 산업분야에서 실용화할 수 있는 자세 안정화/기동용 100Nm급 CMG 개발을 다루며, 시스템 요구사항 분석, 하드웨어 설계/제작, 시험장치 구성, 성능 시험/평가 등 전반적인 개발 과정을 제시한다. 특히 스핀모터의 3,000rpm 속도제어와 김벌모터의 위치제어 및 1rad/s 속도제어 성능을 시험하고 최종적으로 CMG가 100Nm급 토크를 생성함을 시험적으로 검증한다. 본 논문의 구성으로 2장에서 CMG 시스템의 요구사항 분석과 서브시스템 설계/제작을 다루고, 3장에서 성능시험장치 구성과 시험/평가 결과를 다루고, 마지막으로 4장에서 본 연구의 결론을 제시한다.
- 플라이휠은 김발모터의 최대 속도 1rad/s와 플라이휠 속도 3,000rpm 조건에서 100Nm 이상의 토크를 발생시키기 위하여 관성모멘트(moment of inertia)를 0.35kg-m2로 설계하였다. 김발모터의 회전시 플라이휠의 회전축에 자이로 효과에 의한 토크가 가해지는데 이를 고려하여 축과 베어링의 규격을 설계하였다.
- 스핀모터는 BLDC(brushless DC) 모터로서 정격 전원은 24V이고 정격 전류는 11A급 90각 모터로 선정하였다. 플라이휠을 포함한 스핀모터부의 배치는 김발모터의 중심축에서 비대칭이 되도록 설계하여 김벌모터 회전시 회전 관성을 최소화할 수 있도록 설계하였고, 정밀 속도제어를 위하여 플라이휠의 반대편에 엔코더를 추가하였다.
대상 데이터
- 김발모터는 상부의 플라이휠과 커버(cover) 등기구부의 관성을 감안하여 1rad/s로 구동이 가능하도록 역기전력(back electromotive force) 특성을 지닌 모터로 선정하였다. 선정된 모터는 24V 전압 제한 하에서 11Nm이상의 토크를 얻을 수 있도록 설계하였다.
- 본 연구에서 개발하는 CMG는 3,000rpm으로 정속/고속 회전하는 플라이휠 부분과 플라이휠을 회전 구동시키기 위한 스핀모터부, 그리고 하부의 김발모터부로 구성된다.
- 스핀모터는 BLDC(brushless DC) 모터로서 정격 전원은 24V이고 정격 전류는 11A급 90각 모터로 선정하였다. 플라이휠을 포함한 스핀모터부의 배치는 김발모터의 중심축에서 비대칭이 되도록 설계하여 김벌모터 회전시 회전 관성을 최소화할 수 있도록 설계하였고, 정밀 속도제어를 위하여 플라이휠의 반대편에 엔코더를 추가하였다.
- 이렇게 구성된 스핀모터부의 하부에 김발모터의 회전축이 결합되는 형태로 제작되었다. 플라이휠의 엔코더와 스핀모터의 케이블은 김발모터의 중공축 안쪽에 장치된 슬립링을 통하여 인버터에 연결될 수 있도록 제작하였다. 최종 조립된 CMG의 외형 사진은 Fig.
성능/효과
- 본 연구를 통해 산업용으로 실용화될 수 있는 자세 안정화/기동용 100Nm급 CMG의 프로토타입 모델(prototype model)을 개발하였다. 개발된 CMG의 성능시험을 통해 스핀모터를 3,000rpm 정속으로 제어하고 김벌모터를 1rad/s 속도로 구동할 경우, 120Nm이상의 토크출력이 생성됨을 시험을 통해 확인하였다. CMG 모터의 개발을 위해서는 구조, 진동, 전자, 제어, 가공, 시험 등 다양한 분야의 통합 최적설계기술이 필요하다.
- 스핀모터 단독 구동시험을 위해 정지상태에서 가속하여 3,000rpm의 정상상태 속도를 유지하는 시험을 수행하였다. 시험결과에 의하면 10분 이내에 3,000rpm에 도달하였으며 정상상태 속도오차가 0.5rpm이하로서 속도리플(speed ripple) 0.02%이내의 속도 제어 성능을 확인하였다.
- 5와 같이 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 모델(finite element model, FEM) 분석결과, 설계된 CMG가 공진주파수 56Hz이상의 구조강성을 가짐을 확인하였다.
- 15와 같이 김벌모터 회전축에 수직인 평면상 (X-Y)에서 CMG 토크가 120Nm이상 생성되는 것을 확인하였다. 이때 김벌모터가 1rad/s의 속도로 회전하는 동안 스핀모터가 여전히 3,000 +/- 0.5rpm의 속도를 유지하여 속도리플을 만족함을 확인하였다(Fig. 16).
후속연구
- 이러한 다양한 관련분야의 기술적 기여도를 바탕으로 이루어진 CMG 모터 개발은 향후 높은 안정성과 임무 수행능력을 요구하는 관련 산업시장에서 경쟁력을 강화시키는 주요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 그 동안 국내 연구소와 학계에서 수행한 소형급 CMG 기초연구([9-11]) 성과를 실용화하여 향후 대용량 CMG의 산업화 기틀을 다지는 초석으로 활용될 것으로 기대된다.
- 본 연구는 국내 연구기관의 축적된 인공위성 CMG 시스템설계 및 시험검증 기술과 모터전문 국내업체의 산업용 정밀모터 설계/제작 보유기술을 접목한 융복합(convergence and integration) 연구개발사업의 성공적 사례이다. 이러한 다양한 관련분야의 기술적 기여도를 바탕으로 이루어진 CMG 모터 개발은 향후 높은 안정성과 임무 수행능력을 요구하는 관련 산업시장에서 경쟁력을 강화시키는 주요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 그 동안 국내 연구소와 학계에서 수행한 소형급 CMG 기초연구([9-11]) 성과를 실용화하여 향후 대용량 CMG의 산업화 기틀을 다지는 초석으로 활용될 것으로 기대된다.
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