초록 ▼

Ⅰ. 제 목 능동자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축 시스템 설계 기술 연구 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 최근 회전기계(Rotating Machinery)에 대한 세계적인 기술추세를 볼 때 해를 거듭할수록 더욱 정밀해지고 고속화에 대한 요구가 한층 증대되고 있으며, 이러한 측면에서 여러 분야에 우수한 장점을 지니고 있는 능동적 자기베어링(Active Magnetic Bearing)의 회전축계 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 특히 프랑스를 중심으로한 미국, 일본 등이 이에 대한 연구를 활발하게 수행하여 고속

Ⅰ. 제 목 능동자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축 시스템 설계 기술 연구 Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 최근 회전기계(Rotating Machinery)에 대한 세계적인 기술추세를 볼 때 해를 거듭할수록 더욱 정밀해지고 고속화에 대한 요구가 한층 증대되고 있으며, 이러한 측면에서 여러 분야에 우수한 장점을 지니고 있는 능동적 자기베어링(Active Magnetic Bearing)의 회전축계 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고, 특히 프랑스를 중심으로한 미국, 일본 등이 이에 대한 연구를 활발하게 수행하여 고속 공작기계 스핀들을 비롯한 고진공 펌프 및 각종 터어빈, 압축기 등에 실용화 시키는 단계에 있다. 그러나, 국내 관련기술에 대한 연구는 연구소, 학계를 중심으로 실험실적인 기초연구로서 부분적으로 수행하는 단계에 있으며 관련분야 활용을 위한 본격적인 연구는 수행되지 못하고 있는 실정이다. 자기베어링이 갖고 있는 장점으로는 회전운동시 회전체와의 기계적 접촉이 없어 마찰에 의한 마모 손실이 없고 높은 선속도(200-400m/sec)를 유지할 수 있으며 진공상태와 극저온 상태 등의 극한 환경에서도 작동이 가능하면서 능동제어에 의한 회전정도, 자동 밸런싱, 진동제어 등 고도의 정밀도 유지가 가능하기 때문에 공작기계를 비롯한 항공우주산업 등 첨단산업분야에의 활용성이 매우 높다. 따라서 최근들어 초고속 초정밀의 첨단기술 수요가 증대되고 있고 이에는 초고속 회전기술이 핵심기술로 자리를 차지하고 있으며 여기에는 회전축계의 성능 파라메타인 회전정밀도, 진동, 강성 등을 능동적으로 제어하면서 초고속운전을 가능케 하는 자기베어링의 설계기술이 중요한 위치를 점유하게 된다. 이에따라 회전기계에 있어서 최첨단에 도전하는 향후의 핵심기술은 능동형 마그네틱베어링(Magnetic Bearing)의 활용기술이며 관련 기계류의 국제경쟁력을 유지하기 위해서는 이에 대한 기술개발이 국내에서도 시도되어야 함은 필수적이라 아니할 수 없다. Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 회전체 설계기술의 고도화를 위하여 능동자기베어링 시스템을 적용 고속화 및 진능화를 구현하는데 목적을 두고 있으며 본 연구 개발의 주요 최종목표는 다음과 같다. ○ 능동 자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축계의 설계기술 개발. - DmN値 최소180만 이상 초고속 고정밀 자기베어링 주축시스템 설계/제작 : 180만 DmN 급의 초고속 고정밀 회전축계의 설계기술 확립. - 원추형 자기베어링을 이용한 초고속 회전축 시스템 설계/제작 : 하드웨어 및 제어 시스템 설계, 요소 구성 - 주축계의 정, 동적 특성 해석 - 회전 불균형 응답 1.0 ㎛ 이내의 고정밀 디지탈 제어기술 개발. ○ 초고속 회전축계의 능동제어(진동 및 Unbalance/회전정도 등)시스템의 설계기술 확립. - 강건 제어, 불균형 제어 등 지능제어 알고리즘 설계기술 개발 Ⅳ. 연구개발결과 능동 자기베어링을 이용한 지능형 초고속 회전축 설계기술 개발을 위하여 하드웨어적으로는 5축 능동제어형 자기부상 시스템과 축방향과 반경방향의 연성을 이용하는 원추형 자기베어링 시스템을 적용 DmN값 180만 이상의 고속 주축 시스템을 설계, 제작하여 연구 개발된 기술을 검증하였고 디지털 제어기술을 이용 선형 PID제어시스템 및 강건 제어 런아웃 제어 등 지능제어 알고리즘을 적용 불균형 응답 1㎛ 이내의 정밀 회전을 실현하였다. 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다. ○ 5축 능동제어형 자기 베어링을 이용한 고속 공작기계용 주축 시스템으로써 5.5/7.5 kW 60,000rpm급 고속 연삭기용 주축계를 설계하였다. - 반경방향/축방향 자기베어링을 설계하고 자기장 해석을 수행하였다. - 센서 및 전력증폭기, 보조베어링 등의 요소들을 구성하였다. - PID제어 및 기타 필터들을 포함한 제어시스템을 설계하고, 설계된 주축계시스템의 안정성 및 고유진동 등 동특성을 해석하였다. ○ 5축 능동제어형 자기베어링을 이용한 고속 주축계를 제작하고 디지털 제어시스템??성 향상을 위한 위상리드 보상기와 유연모드 제거를 위한 노치필터를 적용하였다. - 회전실험결과 40,000 rpm이상(200만 DmN)의 안정회전이 가능하였고, 앞, 뒤베어링 각각 40㎛과 30㎛ 이내의 런아웃을 고속에서 나타내었다. - 주축의 불균형 응답인 1차 회전성분의 크기는 5 ㎛이내로 나타나, 노이즈의 영향을 줄일 경우 정밀도의 개선이 가능한 결과를 보였다. - 적응제어형 능동 피이드포워드 제어알고리즘을 적용하여 런아웃에 의한 진동영향을 제거한 결과 불균형 응답 성분을 1㎛ 이내로 줄일 수 있었다. ○ 원추형 마그네틱 베어링을 이용한 고속 공작기계용 주축 시스템으로써 5.5 kW 50,000 rpm 급 고속 연삭기용 주축계를 설계 하였다. - 원추형 자기베어링 액튜에이터 설계기술을 연구하였다. - 유전자 알고리즘을 이용한 최적설계 방법을 적용하고 유한요소 해석을 통하여 원추형 자기베어링의 제원 변화에 따른 자속밀도 특성을 분석하였다. - 원추형 자기베어링 시스템의 동적 모델링을 수행하고 디지털 제어시스템의 상태방정식 유도를 통하여 제어시스템을 설계하였다. ○ 설계된 원추형 자기베어링을 이용한 고속 주축계를 가공 조립하여 제작하고 성능을 분석하였다. - 주축계의 구동계 및 마그네틱 베어링 시스템의 디지털 제어, 구동계를 구성하였다. - 제작된 주축계의 고유진동수 및 진동 모우드를 실험적으로 해석한 결과 1차 유연모우드의 고유진동수가 약 1 kHz 전후에서 나타나 1차 유연모드의 80 %에 해당되는 속도인 50,000 rpm 정도까지 강성로터 회전이 가능함을 규명하였다. - PD 제어게인에 따른 안정영역 평가 시험을 수행하여 반경방향과 축방향 시스템의 안정성과 감쇠비를 보장하는 제어게인을 설정하였다. 부상응답과 축 선단의 충격에 대한 응답 실험을 통하여 시스템의 응답특성이 안정하고 감쇠비도 과감쇠로 크게 나타났다. - 30,000 rpm까지의 회전응답 실험에서 회전성분에 해당하는 불균형응답의 경우는 30,000 rpm에서 약 1㎛ 으로 규명되었다. ○ 이상의 연구를 통하여 불균형응답 1.0 ㎛이내의 원추형 자기베어링을 이용한 내면연삭기용 180만 DmN 급 고속 주축계의 설계 기술 연구를 정립할 수 있었다. ○ 연구개발의 결과로 학술 활동에 있어서는 국내외에 논문을 25편 발표하였다. (국내 학술대회 23편 국내 논문게재 2편) Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 본 연구에서 개발되어진 내면연삭기용 5축 능동제어 자기베어링 시스템과 원추형 자기베어링 시스템의 설계기술은 현재 공작기계용 스핀들 개발에 활용되고 있다. 구체적으로는 머시닝 센터용 HSK-63E에서 HSK-40E의 툴홀더를 갖는 모델로써 모터의 출력은 27kW, 10kW의 최대 50,000 rpm의 고속 가공을 목표로 하는 지능형 고속 공자기계 주축계 개발에 본 연구 개발의 결과인 기술이 적용되고 있다. 공작기계 주축계의 고속화 및 지능화에 능동 자기베어링의 기술은 유용하게 쓰일 수 있으며 앞으로 고도화될 산업에 비추어볼 때, 적용범위는 더욱 넓어질 것으로 예상된다. 일반 산업계로는 현재 국내 반도체 생산라인에 많이 사용되고 있는 고진공 터보분자펌프(Turbomolecular Pump, TMP 35,000 rpm, 진공도 10-8 TORR)의 국산화를 위하여 핵심기술인 자기부상 기술개발도 추진되고 있다. 고진공 환경을 만들기 위하여 필수적인 TMP는 현재 대부분이 고속회전을 위하여 능동자기부상 방식이 사용되며 이를 국산화하기 위하여 본 국제공동연구에서 얻어진 자기베어링 시스템 설계기술을 적용하고 있다. 이외에도 최대 12만 rpm의 초고속 원심분리기 시스템과 초고속 blower 등에 적용할 계획이며, 최근의 BT, NT 등의 발전에 따른 초고속, 혹은 초정밀의 자기부상 시스템에 적용하고 기술개발을 계속 추진할 계획이다.

Abstract ▼

Ⅰ. Title Development of Design Technologies for Intelligent High Speed Rotor System Using Active Magnetic Bearing Ⅱ. Object and Necessity of The Project The recent trend of the rotating machineries is higher speed, higher accuracy and intelligent using active vibration control (AVC) technology,

Ⅰ. Title Development of Design Technologies for Intelligent High Speed Rotor System Using Active Magnetic Bearing Ⅱ. Object and Necessity of The Project The recent trend of the rotating machineries is higher speed, higher accuracy and intelligent using active vibration control (AVC) technology, which makes the machineries be high speed and control rotating accuracy, vibration & stiffness actively. Magnetic bearing (MB) is one of actuators in AVC systems and has lots of industrial applications. In addition the development of MB design and AVC technology is a hot topic in worldwide area. Although U.S.A. is been rapidly developing the MB design technology and is recently applying AVC technology to the aerospace, power plant, industrial areas, the development of more advanced technology for the MB and AVC is still needed. However, Korea has now only the manufacturing technology for the low speed rotating machinery equipped with mechanical bearings and stays only at the basic step for MB and AVC in academic areas. So, the MB and AVC researches are needed in both countries. Therefore, this project is a good research topic in cooperation academically and technically between both countries. Dr. palazzolo at Texas A&M University has lots of research experience in AVC, MB and rotordynamic field. Korea will construct the independent design capability of MB and AVC during the academic and technical cooperation. Since MB and AVC technologies are highly advanced recently and can be broadly applied to the industrial areas such as high speed machine tool spindle, turbopump, energy storage flywheel system, high temperature gas turbine, etc., they are contributed to all of national industry in the economic and industrial aspects. Therefore, the objective of this project is to obtain the MB and AVC's design and analytical technology and to connect the new technologies to other domestic advanced researches through the academic and technical cooperation program with Texas A&M University. Ⅲ. Objectives and Details Development of design technologies for intelligent high speed rotor system using active magnetic bearing. - Establishment of design technology for ultra High speed & accuracy magnetic bearing-spindle system ▶ over Min. 1.8 million DMN value - Development of desing technology for High speed spindle system with Cone-Shaped magnetic bearing system ▶ Design & Manufacturing technologies about H/W, control and system integration - Development of control technology for High Accuracy digital controller ▶ Intelligent control methods including Robust controller, Runout controller, Fuzzy algorithm etc. ▶ At least 1 ㎛ rotating unbalance response ▶ Establishment of design technology for active control system in high speed rotor Ⅳ. Results In this projects, conventional 5-axis actively controlled magnetic bearing system and radial-axial coupled cone-shaped magnetic bearing system are applied to high speed spindle system design. Through design, manufacturing and testing of high speed magnetic bearing spindle system, design technology for high speed rotor system more than 1.8 million DmN value (40,000 rpm) is realized. The accurate rotation less than 1.0㎛ of unbalance response is achieved by digital control system using linear PID controller and adaptive feedforward runot control algorithm. Intelligent control methods such as robust control, feedforward and Fuzzy logic is designed and tested. The detail results of this research are as belows ○ The high speed spindle system for internal grind machine which has 5.5/7.5 kW power and maximum 60,000 rpm speed is designed with 5-axis actively controlled magnetic bearing system. - Radial and axial magnetic bearing actuators are designed and analyzed by magnetic field analysis. - The magnetic bearing system is integrated with gap sensors, power amplifiers and backup bearings etc. - A digital control system with PID controller and additional filters is designed and simulated by numerical method for dynamic characteristics such as system stability, stiffness, damping, natural frequency and etc. ○ The designed spindle system with 5-axis actively controlled magnetic bearing system is manufatured and tested its performances. - The stability PD controller in magnetic bearing system is tested and the lead filter is used in front bearing for improve system stability. The first flexible mode of spindle about 1kHz is rejectied by additional notch filter. - The spindle runs up to 40,000 rpm (200만 DmN) stably, and the sensor runouts are 40㎛ and 30㎛ at front and rear bearing in high speed. - The unblalance response, 1x response of sensor runout is about 5 ㎛ with only PID control. - The 1x rotational response of error signal reduced by runout rejection method with adaptive feedforward algorithm. ○ The cone-shaped magnetic bearing system is applied and designed for high speed internal grind spindle system with 5.5 kW. - The radial-axial coupled cone-shape magnetic bearing actuators are designed. - The optimal design method by genetic algorithm is applied for designing of cone-shape electromagnets and magnetic field analysis is accomplished to determine geometrical effects on actuator performances. - The state-space equation for dynamic system of cone-shape magnetic baring spindle system is derived and the digital control system is designed. ○ The designed spindle system prototype is manufactured and examined its performances. - The spindle and driving system, cone-shape magnetic bearing bearing and digital control system are built. - The first flexible mode of the spindle is at about 1kHz, and it reveals this spindle can run up to 50,000 rpm as a rigid rotor. - The dynamic characteristics, system stability, coupled effects, system damping and stiffness are examined and the controller gains are determined. - The spindle runs up to 30,000 rpm stably. The unbalalnce response is about 1㎛ at 30,000 rpm. Ⅴ. Expected Effects of R&D Wide application of intelligent high speed magnetic bearing spindle systems - spindle systems for high speed machine tools - magnetic bearing spindle systems for Turbomilecular pumps(TMP) - ultrahigh speed centrifuge systems - high speed spindle system for aerospace and other industries. Improvements and growth of local mechatronics technologies, sensors, power electronics, and digital control technologies. Using the results from this project, the development of high speed milling spindle systems (HSK-40, HS-63, 50,000 rpm) and magnetic bearing spindle system for high vacuum turbomolecular pumps in semiconductor manufacturing system is now on progress.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...19
• 제 1 절 연 구 개 발 의 목 적 및 필 요 성...19
• 제 2 절 연 구 개 발 의 범 위...21
• 제 2 장 국 내 외 기 술 개 발 현 황...23
• 제 1 절 국 내 기 술 현 황...23
• 제 2 절 국 외 관 련 기 술 현 황...24
• 제 3 장 연 구 개 발 수 행 내 용 및 결 과...26
• 제 1 절 개 요...26
• 제 2 절 5축 능 동 제 어 형 자 기 베 어 링 회 전 축 계 설 계 기 술 연 구...28
• 1. 자 기 베 어 링 주 축 계 설 계...28
• 가 . 자 기 베 어 링 액 추 에 이 터 설 계...29
• (1) 고 속 축 계 의 베 어 링 지 지 하 중...29
• (2) 자 기 베 어 링 전 자 석 설 계...29
• (3) 축 방 향 자 기 베 어 링 전 자 석...31
• 나 . 전 력 증 폭 기 제 원 결 정...32
• 다 . 5축 능 동 제 어 형 연 삭 기 주 축 계...33
• 2. 5축 능 동 제 어 형 자 기 베 어 링 주 축 계 의 제 어 시 스 템 설 계...35
• 가 . 시 스 템 운 동 방 정 식...35
• 나 . 직 접 궤 환 제 어 PID 제 어 시 스 템...35
• 다 . 안 정 성 개 선 을 위 한 Lead Filter...38
• 3. 자 기 베 어 링 주 축 계 의 성 능 해 석...39
• 가 . 자 기 베 어 링 액 추 에 이 터 의 자 기 장 해 석...39
• 나 . 고 속 주 축 계 의 정 늭동 특 성 해 석...41
• (1) 주 축 계 의 정 적 처 짐 특 성 해 석...42
• (2) 주 축 계 의 고 유 진 동 모 우 드 특 성...42
• (3) 스 핀 들 유 한 요 소 해 석...43
• 다 . 강 체 축 계 의 제 어 특 성 해 석...44
• (1) 단 위 계 단 응 답...45
• (2) 질 량 불 균 형 에 대 한 응 답...45
• (3) 전 력 증 폭 기 영 향 및 보 상...46
• 라 . 고 속 주 축 의 동 력 손 실...48
• (1) 코 일 의 열 발 생 에 의 한 손 실...48
• (2) 회 전 체 에 서 의 손 실...49
• (3) 공 기 마 찰 에 의 한 손 실...51
• (4) 전 자 석 철 심 손 실...52
• 제 3 절 원 추 형 능 동 자 기 베 어 링 고 속 회 전 축 계 설 계 기 술 연 구...54
• 1. 원 추 형 마 그 네 틱 베 어 링 연 삭 기 주 축 계 설 계...54
• 2. 자 기 베 어 링 액 추 에 이 터 의 최 적 설 계 연 구...58
• 가 . 목 적 함 수 선 정...60
• 나 . 원 추 형 자 기 베 어 링 의 설 계 구 속 조 건...61
• 다 . 설 계 변 수 및 범 위...61
• 라 . 최 적 설 계...62
• 마 . 유 전 자 알 고 리 듬 에 의 한 최 적 화 결 과...64
• 바 . 자 기 장 해 석...67
• 사 . 기 하 학 적 형 상 의 변 화 에 따 른 결 과 값...68
• 3. 원 추 형 자 기 베 어 링 제 어 시 스 템 설 계...70
• 가 . 원 추 형 능 동 자 기 베 어 링 모 델 링...70
• (1) 자 기 베 어 링 의 자 기 적 성 질...70
• (2) 자 기 력 의 선 형 화...72
• (3) 전 자 기 력...74
• 나 . 운 동 방 정 식...76
• 다 . 원 추 형 전 자 기 베 어 링 계 의 제 어 알 고 리 즘...79
• 라 . 디 지 털 PID 제 어 기...82
• 마 . 제 어 알 고 리 즘 설 계 및 모 의 실 험...84
• (1) 비 연 성 제 어 기...84
• (2) 안 정 영절 능 동 자 기 베 어 링 의 지 능 형 제 어 기 술 연 구...89
• 1. H -inf 강 건 제 어 기 설 계 연 구...89
• 가 . 강 건 제 어...89
• (1) 강 건 제 어...89
• (2) PID 강 건 제 어...89
• 나 . H∞강 건 제 어...90
• (1) H∞norm 의 의 미...90
• (2) H∞ 제 어 의 개 요...90
• (3) 민 감 도 함 수...92
• (4) 보 조 민 감 도 함 수...92
• (5) 가 중 치 함 수...93
• (가 ) 가 중 치 함 수...93
• (나 ) 가 중 치 함 수 의 의 미...93
• 다 .H ∞ 제 어 기 의 설 계...96
• 라 . M ultivariable Feedback System...100
• (1) Principal gains (Singular values)...100
• (가 ) Principal gain의 개 념...100
• (나 ) Principal gain의 이 용...101
• (2) Youla param eterization...103
• (가 ) Youla param eterization...104
• (나 ) Fractional representations...104
• (3) H∞ optim al control...106
• (가 ) M odel-m atching Problem...106
• (나 ) T he H ankel approxim ations Problem...108
• (다 ) T he G lover-D oyle algorithm...111
• 마 . 5축 능 동 제 어 형 자 기 베 어 링 시 스 템 적 용 연 구...117
• (1) 모 델 링...117
• (2) 시 스 템 규 명...118
• (3) 모 의 실 험...120
• (4) 실 험 결 과...122
• 2. 퍼 지 를 이 용 한 지 능 형 제 어 시 스 템 설 계 연 구...124
• 가 . Fuzzy 제 어 기 구 성...124
• 나 . Fuzzy 이 론...124
• (1) 퍼 지 화...125
• (2) 퍼 지 룰 베 이 스...126
• (3) 퍼 지 추 론 기 관...126
• (4) 비 퍼 지 화...127
• 다 . 비 선 형 보 상 자 료 획 득 과 정...128
• 라 . Fuzzy 제 어 기 설 계...131
• 마 . Fuzzy 제 어 출 력...134
• 바 . 결 과 요 약...134
• 3. 회 전 응 답 제 어 를 위 한 적 응 피 이 드 포 워 드 제 어 시 스 템...136
• 가 . 개 요...136
• 나 . 런 아 웃 제 어 를 위 한 제 어 시 스 템...136
• (1) 자 기 베 어 링 을 이 용 한 연 삭 기 주 축...136
• (2) 실 험 주 축 의 제 어 시 스 템 구 성...137
• (3) 런 아 웃 제 거 문 제...138
• (4) LM S 알 고 리 즘 의 적 응 Feedforw ard 제 어 알 고 리 즘...139
• 다 . 적 응 Feedforw ard 제 어 모 의 실 험...140
• (1) 수 렴 시 뮬 레 이 션...141
• (2) LM S 알 고 리 즘 의 실 제 적 용 문 제...142
• 다 . 런 아 웃 제 어 예...142
• (1) 런 아 웃 측 정 및 영 향 예 측...142
• (2) 적 응 Feedforw ard 제 어 특 성 해 석...144
• (3) 런 아 웃 제 어 실 험...145
• 라 . 결 론...148
• 4. 고 장 허 용 자 기 베 어 링 시 스 템 제 어 기 술 연 구...149
• 제 5 절 능 동 자 기 베 어 링 회 전 축 계 의 실 험 적 연 구...153
• 1. 5축 능 동 제 어 형 자 기 베 어 링 회 전 축 계 의 성 능 평 가...153
• 가 . 주 축 계 제 작...153
• 나 . 마 그 네 틱 베 어 링 연 삭 기 주 축 계 의 성 능 평 가...156
• (1) 제 어 시 스 템 안 정 성 평 가...156
• (2) 고 유 진 동 공 진 제 거 를 위 한 노 치 필 터...157
• (3) 마 그 네 틱 베 어 링 주 축 계 의 부 상 응 답 실 험...159
• (4) 외 란 에 대 한 주 파 수 응 답...160
• (5) 회 전 응 답 특 성...162
• (6) 런 아 웃 제 거 시 의 고 속 응 답...165
• 다 . 결 과 및 고 찰...166
• 2. 원 추 형 능 동 자 기 베 어 링 회 전 축 계 의 성 능 평 가...167
• 가 . 주 축 시 스 템 제 작...167
• 나 . 마 그 네 틱 베 어 링 연 삭 기 주 축 계 의 성 능 평 가...171
• (1) 제 작 된 주 축 의 진 동 모 우 드 해 석...171
• (2) PD 제 어 게 인 에 따 른 안 정 성 분 석...173
• (3) 마 그 네 틱 베 어 링 주 축 계 의 부 상 응 답 실 험...175
• (4) 외 란 에 대 한 주 파 수 응 답...176
• (5) 회 전 응 답 특 성...178
• 다 . 결 과 및 고 찰...179
• 제 6 절 결 과 요 약...180
• 제 4 장 연 구 개 발 목 표 달 성 도 및 대 외 기 여 도...182
• 제 5 장 연 구 개 발 결 과 의 활 용 계 획...188
• 제 6 장 참 고 문 헌...189
• 제 7 장 부 록 Texas A&M 연 구 결 과 요 약...194