[논문]전기추진 선박에 적용되는 20HP급 전기추진 선외기 구동시스템의 성능평가에 대한 고찰

문병영; 신국환; 이기열

doi:10.26748/ksoe.2018.32.6.518

문제 정의

정량적인 평가항목 중 전기선외기 시제품에 대한 추력(t), 주행시간(h), 중량(w) 및 소음(n) 등과 관련하여 수조설비를 이용하여 육상시험을 수행하였으며, 시험 결과를 바탕으로 기술적인 접근을 통한 분석을 수행하였다. 기타 평가항목 중 주요 항목에 해당하는 전기선외기의 중량(w)에 대해서도 목표로 하는 정량적 수치를 획득하는데 중요성을 두었다.
본 개발에서는 전기선외기 시제품과 관련, 외부 공인기관 입회하에 수조설비를 이용하여 육상에서 성능시험을 수행하였으며, 목표로 하였던 정량적인 수치는 달성한 것으로 평가가 되었다. 반면, 육상시험에서 전기선외기의 평가항목 중 선속(s)은 제외하였던 바, 시험 영역을 확장하여 파도 및 조류가 존재하는 실제 해상시험을 통해 선속부분에 대한 전기선외기의 성능에 대해 추가적으로 분석 및 고찰을 하고자 하였다.
본 전기추진 선박은 기존에 추진시스템으로 사용되고 있는 엔진구동 시스템을 대신하여 솔라셀 및 에너지 저장장치(건전지)를 설치하였으며, 태양광으로부터 건전지에 충전된 전기에너지를 이용하여 모터를 구동시키고 구동된 모터의 동력은 구동축과 베벨기어 등 동력전달장치를 통해 프로펠러를 회전시킴으로써 추진력을 얻게 된다. 반면, 태양광 발전효율이 10~15% 정도로 다소 저조하며, 태양광 패널의 효율감소가 빠르다는 점을 감안하여 시운전 시 청명한 날씨나 최적의 일조량을 확보하고자 하였다. 특히 열악한 해양환경 직면 시 태양광 패널의 효율 감소 속도를 고려하여 태양광에 전적으로 의존하기보다는 에너지 저장장치(건전지) 및 비상발전기(BMC, Battery monitoring controller) 등을 적용하는 전기추진 시스템을 구상하여 경제적인 투자관점에서 설치를 고려하고자 하였다.
본 개발에서 목표로 하고 있는 전기선외기의 경우 BLDC 모터를 탑재한 후 전진, 중립 및 후진의 성능을 확인하기 위한 테스트를 자체적으로 진행하였다. 테스트 결과, 전진과 중립의 경우 이상이 없으나 후진의 경우 기어 조작 시 피니언기어와 베벨기어의 엇물림이 발생하여 소음이 발생하는 것을 알 수 있었다.
본 개발에서는 전기선외기 시제품과 관련, 외부 공인기관 입회하에 수조설비를 이용하여 육상에서 성능시험을 수행하였으며, 목표로 하였던 정량적인 수치는 달성한 것으로 평가가 되었다. 반면, 육상시험에서 전기선외기의 평가항목 중 선속(s)은 제외하였던 바, 시험 영역을 확장하여 파도 및 조류가 존재하는 실제 해상시험을 통해 선속부분에 대한 전기선외기의 성능에 대해 추가적으로 분석 및 고찰을 하고자 하였다.
본 개발에서는 현재 전량 해외수입에 의존하고 있는 전기추진 선외기와 관련하여, 친환경 전기에너지를 주된 동력원으로 이용하는 전기추진 선외기 시제품을 기자재 국산화 측면에서 개발 및 제작하였다.
본 개발의 목적은 현재 전량 해외수입에 의존하고 있는 전기선외기와 관련하여, 친환경 전기에너지를 주된 동력원으로 이용하는 전기선외기 시제품을 기자재 국산화 측면에서 개발 및 제작하는데 그 목표가 있다. 이 과정에서 중국산 전기선외기 제품에 대하여 성능과 문제점을 분석하여, 개발하고자 하는 전기선외기 시제품의 부품 설계 및 기술개발에 적용하고자 하였다.
성능시험은 육상 수조설비(길이: 20M)를 이용하여 평가를 수행하였다. 성능평가와 관련, 가장 중요한 평가항목으로 판단되는 추력(t)을 우선 산출하고자 하였다. 선박의 추력을 정확하게 측정할 수 있는 장비가 국내에 전무하기 때문에, 정량적 평가 시에는 용수철저울(196~980N에 해당)을 이용하여 전기추진 선박이 전진 시 순간적인 추력수치를 산출하였으며, 이를 정량적 항목의 수치로 산정하였다.
, 2012). 아울러 제작된 전기선외기 성과물에 대한 성능평가를 외부 공인인증기관(예, 한국선박안전기술공단 등) 입회하에 수행함으로써 본 개발에서 제시하는 정량적 수치 및 목표치를 확보하고자 하였다(Ham, 2012).
본 개발의 목적은 현재 전량 해외수입에 의존하고 있는 전기선외기와 관련하여, 친환경 전기에너지를 주된 동력원으로 이용하는 전기선외기 시제품을 기자재 국산화 측면에서 개발 및 제작하는데 그 목표가 있다. 이 과정에서 중국산 전기선외기 제품에 대하여 성능과 문제점을 분석하여, 개발하고자 하는 전기선외기 시제품의 부품 설계 및 기술개발에 적용하고자 하였다.
반면, 태양광 발전효율이 10~15% 정도로 다소 저조하며, 태양광 패널의 효율감소가 빠르다는 점을 감안하여 시운전 시 청명한 날씨나 최적의 일조량을 확보하고자 하였다. 특히 열악한 해양환경 직면 시 태양광 패널의 효율 감소 속도를 고려하여 태양광에 전적으로 의존하기보다는 에너지 저장장치(건전지) 및 비상발전기(BMC, Battery monitoring controller) 등을 적용하는 전기추진 시스템을 구상하여 경제적인 투자관점에서 설치를 고려하고자 하였다. 전기추진 선박의 전체적인 개념도는 Fig.
특히, 구동시스템의 효율성 확보라는 측면에서 전기선외기에 적합한 구동시스템을 구축하고, 관련 시제품을 선박에 장착하여 시운전함으로써 안전성 및 효율성을 검토하고자 하였다(Lee et al., 2012). 아울러 제작된 전기선외기 성과물에 대한 성능평가를 외부 공인인증기관(예, 한국선박안전기술공단 등) 입회하에 수행함으로써 본 개발에서 제시하는 정량적 수치 및 목표치를 확보하고자 하였다(Ham, 2012).

제안 방법

본 전기추진 선박은 기존에 추진시스템으로 사용되고 있는 엔진구동 시스템을 대신하여 솔라셀 및 에너지 저장장치(건전지)를 설치하였으며, 태양광으로부터 건전지에 충전된 전기에너지를 이용하여 모터를 구동시키고 구동된 모터의 동력은 구동축과 베벨기어 등 동력전달장치를 통해 프로펠러를 회전시킴으로써 추진력을 얻게 된다. 반면, 태양광 발전효율이 10~15% 정도로 다소 저조하며, 태양광 패널의 효율감소가 빠르다는 점을 감안하여 시운전 시 청명한 날씨나 최적의 일조량을 확보하고자 하였다.
상기 파워헤드, 미드섹션 및 로워유닛부에 대한 분해 및 조립과정을 통해 본 개발에서 목표로 하는 전기선외기 시제품을 제작하였으며, Fig. 11과 같이 성능시험을 수행하기에 앞서 전기선외기 시제품을 전기추진 선박에 장착하여 자체적으로 수조설비에서 시운전을 수행하였다. 하는 전경이 Fig.
성능평가와 관련, 가장 중요한 평가항목으로 판단되는 추력(t)을 우선 산출하고자 하였다. 선박의 추력을 정확하게 측정할 수 있는 장비가 국내에 전무하기 때문에, 정량적 평가 시에는 용수철저울(196~980N에 해당)을 이용하여 전기추진 선박이 전진 시 순간적인 추력수치를 산출하였으며, 이를 정량적 항목의 수치로 산정하였다. 이 과정에서 프로펠러 추력 목표치(294N 이상) 대비, 약 16% 향상된 343N의 추력 결과치를 얻을 수 있었다(Fig.
특히, 선속 측정시 측정 전 일정거리 접근이 된 상태에서 주행 시 소요시간을 측정하여 속도(주행 거리 / 주행 시간)를 구하는 아나로그 방식을 도입하였다. 선속 측정 시 BLDC 모터 회전수가 일정하게 주어질 때 동일한 구간을 전기선박이 5회 왕복 운행하여 평균 수치를 구하였다.
완성된 전기선외기 시제품을 전기추진 선박에 장착한 후 외부 공인 기관 입회하에 목표로 하는 성능시험을 수행하였다. 성능시험은 육상 수조설비(길이: 20M)를 이용하여 평가를 수행하였다. 성능평가와 관련, 가장 중요한 평가항목으로 판단되는 추력(t)을 우선 산출하고자 하였다.
시계방향으로 회전 시 엇물림 현상을 해결하기 위해서 Fig. 18(c)와 같이 베벨기어의 키홈 3개 부분을 대각선으로 각이진 현상이 아닌, 키와 맞물릴 수 있도록 평면으로 설계 하였다. 아울러 전기선외기 구동시스템의 경우 정회전과 역회전이 가능하여 키 부분을 한쪽에 맞물릴 수 있도록 설계 하였다(Jung, 2006).
완성된 전기선외기 시제품을 전기추진 선박에 장착한 후 외부 공인 기관 입회하에 목표로 하는 성능시험을 수행하였다. 성능시험은 육상 수조설비(길이: 20M)를 이용하여 평가를 수행하였다.
14(b)와 같이 소음은 소음측정기를 이용하여 소음을 측정하였다. 이 때 전기선외기의 상부 파워헤드의 덮개(카울)가 부착된 상태에서 BLDC 모터의 소음을 측정하였으며, 선미에서 선수방향으로 1미터 간격으로 구간을 설정하여 구간별로 소음을 측정하였다. 그 결과 전기선외기 소음 목표치(85db 이하) 대비, 약 23% 감소된 66db의 소음 결과치를 얻을 수 있었다.
전기선외기의 운행시간(h)은, 전기선외기 시제품을 전기추진선박에 장착한 상태에서 프로펠러가 회전하는 순간을 시점(Starting point)으로 하여 전기선외기 운행시간을 측정하였다. 이때 운행시간 측정은 스탑워치를 이용하였다.
정량적인 평가항목 중 전기선외기 시제품에 대한 추력(t), 주행시간(h), 중량(w) 및 소음(n) 등과 관련하여 수조설비를 이용하여 육상시험을 수행하였으며, 시험 결과를 바탕으로 기술적인 접근을 통한 분석을 수행하였다. 기타 평가항목 중 주요 항목에 해당하는 전기선외기의 중량(w)에 대해서도 목표로 하는 정량적 수치를 획득하는데 중요성을 두었다.
여기서 A 및 B 지점에는 적색 깃발을 설치하여 전기추진 선박 주행시 육안으로 식별이 가능하도록 하였다. 특히, 선속 측정시 측정 전 일정거리 접근이 된 상태에서 주행 시 소요시간을 측정하여 속도(주행 거리 / 주행 시간)를 구하는 아나로그 방식을 도입하였다. 선속 측정 시 BLDC 모터 회전수가 일정하게 주어질 때 동일한 구간을 전기선박이 5회 왕복 운행하여 평균 수치를 구하였다.
파워헤드(상부), 미드섹션(중앙부) 및 로워유닛부(하부)로 크게 분류되는 전기추진 선외기의 개별 구성품들을 제작한 후에 전기선외기 도면과의 일치 여부를 확인하기 위해 개별 구성품들에 대한 분해 및 조립작업을 수행하였다. 이 과정에서 제작된 전기선외기 시제품의 개별 구성부의 작동 메카니즘을 검토하고자 하였으며 Fig.
20에 해상에서 추가적으로 자체 시운전을 하고 있는 전기추진 선박의 주행전경이 보여진다. 해상시험 시 검토 항목은 전기선외기 BLDC 모터의 회전수(RPM)에 일정한 변화를 줄 경우 선속의 변화 거동을 실험적 데이터를 통해 분석하고자 함에 있었다.

대상 데이터

Fig. 5와 Table 1과 같이 전기추진 시스템 구동용 모터는 20HP급(15kW) BLDC 모터로 구성하였다. BLDC 모터는 에너지 저장장치(건전지)를 에너지원으로 사용되는 구동체에 사용되며, 구조상 브러쉬가 없어 일반적으로 Rotor의 내부에 Magnet를 가지고 있고 Stator가 회전하는 자계를 발생하고, 이 결과로 Rotor가 회전한다.
본 개발에서는 기존의 구동축 및 프로펠러축에 사용된 재료 S45C와는 다르게 SCM440 소재를 사용하여 Shaft를 가공하였다. Fig.
본 전기추진 선박은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 에너지 저장장치에 해당하는 고효율 리튬-이온 건전지(용량: 200A × 72V)를 이용하였으며, 상기 에너지 저장장치에 해당되는 건전지에 충전된 전기에너지를 이용하여 BLDC 모터는 구동되어지며, 구동된 모터의 동력은 동력전달 시스템을 통해 프로펠러에 전달되어진다(Hong et al., 2011).
BLDC 모터에서 나오는 동력을 전달해주는 역할을 하는 구동축은 미드섹션부에 설치되어 있다. 운항 시 공동현상방지판이 선박의 선저보다 1~25mm 밑에 위치할 때 최대의 효율을 낼 수 있다는 점을 감안하여, 중국 골든모터사(680mm) 대비 구동 효율성을 향상시키기 위해 구동축의 최적 길이를 720mm로 제작하였다(Fig. 6).

성능/효과

(1) 본 개발에서는 완성된 전기추진 선외기 시제품을 전기선박에 장착한 후 외부 공인 기관 입회하에 목표로 하는 성능시험을 수행하였는 바, 이 과정에서 프로펠러 추력 목표치(294N 이상) 대비, 343N에 해당하는 프로펠러 추력(t) 결과치를 얻었다.
(2) 주요 검토 대상인 전기추진 선외기의 운행시간(h)과 관련, 프로펠러가 회전하는 순간을 시점(Starting point)으로 하여 운행시간에 대한 평가를 측정한 결과, 전기선박 운행 시간 목표치를 상회하는 1시간 35분의 운행시간 결과를 기록했다.
(3) 성능평가 항목에 해당하는 전기선외기 중량(w)과 관련, 전기선외기 중량 목표치(70kg 이하) 대비 49kg의 중량 결과치를 얻었으며, 전기선외기 소음(n)의 경우에도 목표치(85db 이하) 대비, 목표치를 충족하는 66db의 소음 결과치를 얻게 되었다.
(4) 선외기의 구동축과 프로펠러축에 사용되는 소재를 SCM440으로 변경할 경우 항복강도가 약 20%정도 높았으며 인장강도의 경우 약 15% 정도 높은 것을 확인하였고, 전기선외기 후진 구동 시 발생이 가능한 엇물림 현상 및 소음을 방지하기 위해 베벨감속 기어부위에 대해 정밀 기계가공을 시행하였다.
(5) 완성된 전기선외기의 선속(s)을 자체적으로 평가하기 위해 해상시험을 하였으며 BLDC 모터의 회전수에 일정한 변화를 줄 경우 선속의 변화 거동을 실험적 데이터를 통해 분석하였는 바, 모터의 회전수를 일정 간격으로 증가시키면 선속(s)도 상대적으로 증가하는 경향을 보여주었다.
이 때 전기선외기의 상부 파워헤드의 덮개(카울)가 부착된 상태에서 BLDC 모터의 소음을 측정하였으며, 선미에서 선수방향으로 1미터 간격으로 구간을 설정하여 구간별로 소음을 측정하였다. 그 결과 전기선외기 소음 목표치(85db 이하) 대비, 약 23% 감소된 66db의 소음 결과치를 얻을 수 있었다. Table 3에 본 성능시험을 통해 확보한 정량적인 결과치를 나타내었다.
이 경우, 수조설비(길이: 20m)라는 제한된 공간을 이용하기에 전기선외기가 장착된 전기추진 선박은 구동시스템을 작동 시 선체의 좌단부와 우단부를 고정설비를 이용하여 고정(고박)시킨 상태에서 성능평가를 하였다. 그 결과 전기추진 선박 운행시간 목표치(1시간 30분) 대비, 약 5% 향상된 1시간 35분의 운행시간 결과치를 얻을 수 있었다(Fig. 13).
15에서 보는 바와 같이, 길이가 동일한 Shaft의 경우 SCM440 소재를 사용하는 경우가 S45C 소재를 사용하는 것보다 상당 부분 더 구조적으로 안전하다고 판단되었다. 또한 Fig. 15에서 나타난 바와 같이 SCM440의 항복강도가 S45C보다 약 20%정도 높으며 인장강도의 경우는 약 15% 높은 것을 확인하였다. Fig.
아울러 본 개발에서 직경(Diameter) 20mm 및 길이(Length) 720mm의 사양을 가지는 구동축(Drive shaft)에 기존 소재보다 보다 우수한 강도 및 내마모성을 가지는 Cr-Mo강(SCM440) 소재를 적용할 경우 1,000~4,000RPM(Revolutions per minute)구간에서 BLDC 모터가 회전 시 강재가 가지는 강인성, 내열성, 내마모성에 기인하여 회전력을 보다 안전하고 효율적으로 프로펠러축에 전달해주는 것으로 평가되었다. 상기 Cr-Mo강의 경우 크롬(Cr)은 강재의 내식성을 향상시켜주고 몰리브덴(Mo)은 결 정립을 보다 미세하게 해주는 역할을 하게 된다(Fig.
선박의 추력을 정확하게 측정할 수 있는 장비가 국내에 전무하기 때문에, 정량적 평가 시에는 용수철저울(196~980N에 해당)을 이용하여 전기추진 선박이 전진 시 순간적인 추력수치를 산출하였으며, 이를 정량적 항목의 수치로 산정하였다. 이 과정에서 프로펠러 추력 목표치(294N 이상) 대비, 약 16% 향상된 343N의 추력 결과치를 얻을 수 있었다(Fig. 12).
21은 BLDC 모터 회전수를 1,000~4,000RPM 범위에서 500RPM의 간격으로 일정하게 증가시켰을 경우 선속의 변화 거동을 보여주는 테이블 및 도표이다. 주된 사항은 BLDC 모터의 회전수를 일정 간격으로 증가시키면 선속도 상대적으로 증가하는 경향을 보여주었다는 점이다. 즉, BLDC 모터의 회전수가 1,000~3,000RPM 사이에서 일정하게 증가할 때 선속은 완전한 선형은 아니지만 점진적으로 증가하는 거동을 보여주었으며, 3,000이상의 RPM에서는 상당히 가파른 증가경향을 보여주었다.
즉, BLDC 모터의 회전수가 1,000~3,000RPM 사이에서 일정하게 증가할 때 선속은 완전한 선형은 아니지만 점진적으로 증가하는 거동을 보여주었으며, 3,000이상의 RPM에서는 상당히 가파른 증가경향을 보여주었다. 주행 시 2,000RPM 부근에서 선속이 급격히 증가한 배경에는 주행 중 주변 환경(풍속, 작동 급조작성, 숙련도 등) 여건에 우선 기인하면서 BLDC 모터의 회전력을 프로펠러축에 전달하는 기계적 고효율성에 근거한다고 사료되었다.
주된 사항은 BLDC 모터의 회전수를 일정 간격으로 증가시키면 선속도 상대적으로 증가하는 경향을 보여주었다는 점이다. 즉, BLDC 모터의 회전수가 1,000~3,000RPM 사이에서 일정하게 증가할 때 선속은 완전한 선형은 아니지만 점진적으로 증가하는 거동을 보여주었으며, 3,000이상의 RPM에서는 상당히 가파른 증가경향을 보여주었다. 주행 시 2,000RPM 부근에서 선속이 급격히 증가한 배경에는 주행 중 주변 환경(풍속, 작동 급조작성, 숙련도 등) 여건에 우선 기인하면서 BLDC 모터의 회전력을 프로펠러축에 전달하는 기계적 고효율성에 근거한다고 사료되었다.
본 개발에서 목표로 하고 있는 전기선외기의 경우 BLDC 모터를 탑재한 후 전진, 중립 및 후진의 성능을 확인하기 위한 테스트를 자체적으로 진행하였다. 테스트 결과, 전진과 중립의 경우 이상이 없으나 후진의 경우 기어 조작 시 피니언기어와 베벨기어의 엇물림이 발생하여 소음이 발생하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

그리고 2006년 6월에 개정 시행되고 있는 해양 오염방지법에서는 선박에서 배출되고 있는 환경오염의 심각성을 인식하여 선박에서 배출되는 대기오염물질도 육상의 교통수단과 마찬가지로 규제를 하고 있다. 이러한 측면에서, 항구에서 주류를 이루고 있는 소형선박들이 엔진선외기 대신에 전기선외기를 이용할 경우 엔진 배기가스에 의한 매연 및 이산화탄소(CO₂) 배출량이 현격히 줄어들어 대기오염 방지에 큰 효과가 있을 것으로 기대된다. 국내의 선외기 보급률은 소형선박의 90%이상을 차지할 만큼 수요기반이 높지만 Fig.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선외기란 무엇인가?	선외기란 주로 소형 선박 등의 추진장치 등에 사용되며 선체 외부의 선미에 독립적으로 장착되는 구동기관을 의미하며, 크게 엔진구동 선외기(Outboard engine)와 전기추진 선외기(Outboard motor)로 분류된다. 본 개발에서는 가솔린 혹은 디젤 등을 이용하는 기존 엔진선외기는 친환경 대상이 아니라는 관점에서 검토 대상에서 제외하였다.
	선외기는 어떻게 분류되는가?	선외기란 주로 소형 선박 등의 추진장치 등에 사용되며 선체 외부의 선미에 독립적으로 장착되는 구동기관을 의미하며, 크게 엔진구동 선외기(Outboard engine)와 전기추진 선외기(Outboard motor)로 분류된다. 본 개발에서는 가솔린 혹은 디젤 등을 이용하는 기존 엔진선외기는 친환경 대상이 아니라는 관점에서 검토 대상에서 제외하였다.
	전기선외기 중량 측정시 무게에서 의미하는 것은?	이 과정에서 전기선외기 중량 목표치(70kg 이하) 대비, 약 30% 경량화된 49kg의 중량결과치를 얻었다. 이 때,중량은 전선 및 케이블 중량이 포함되지 않은 순수 전기선외기 무게를 의미한다.

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