보고서 정보
주관연구기관 |
한국SKF씰 |
연구책임자 |
한춘수
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참여연구자 |
황성재
,
노현철
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2020-06 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200006010 |
과제고유번호 |
1415163162 |
사업명 |
자동차부품기업활력제고사업(R&D) |
DB 구축일자 |
2022-07-30
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키워드 |
마그네틱 엔코더.센서.자속밀도.다중극.착자.
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초록
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3. 개발결과 요약
최종목표
Reading Diameter Φ70㎜, Air Gap 3.0㎜ 자속밀도 11.0G 이상, 단피치 에러율 ±1.5% 이내, 누적피치 에러율 3.0% 이내, 자력비 0.75 ~ 1.33 범위를 만족하는 다양한 Sensing Position을 선택할 수 있는 성능을 구현하는 휠속도 센서용 고신뢰성 마그네틱 엔코더를 개발함과 동시에, 12.5sec/EA를 만족하는 고속회전식 착자시스템 구축 및 공정 기술을 개발하여, 개발종료 3차년도 기준 누적매출액 218.8억원, 누적수출액 927.5만불(
3. 개발결과 요약
최종목표
Reading Diameter Φ70㎜, Air Gap 3.0㎜ 자속밀도 11.0G 이상, 단피치 에러율 ±1.5% 이내, 누적피치 에러율 3.0% 이내, 자력비 0.75 ~ 1.33 범위를 만족하는 다양한 Sensing Position을 선택할 수 있는 성능을 구현하는 휠속도 센서용 고신뢰성 마그네틱 엔코더를 개발함과 동시에, 12.5sec/EA를 만족하는 고속회전식 착자시스템 구축 및 공정 기술을 개발하여, 개발종료 3차년도 기준 누적매출액 218.8억원, 누적수출액 927.5만불(102.0억원), 유지 인력 13명, 과제 시작일로부터 개발 종료 4차년도 기준 누적신규고용 28명을 달성하고자 함
개발내용 및 결과
o 고분산 배합을 위한 Extruding 공정기술 개발
: Magnetic Rubber 내 분산이 고르게 이루어지지 않을 경우 SEM분석 결과 Lump가 발생됨–이는 가류공정과정에서 배향성 저하에 영향을 미치는 것으로 분석됨
: Pre-form 예비성형 공정 중 배합분산 Extruding 공정을 변경하여 Lump를 제거하고 고른 분산기술 확보
o 마그네틱 엔코더 내 Ferrite Powder의 고배향 기술 개발
- 고자력 마그네틱 엔코더 성형을 위한 가류금형 설계 시 최초 유사 item의 가류금형을 기초로 아래 그림과 같이 최초 자장 배향 금형 설계를 실시함
: 마그네틱 엔코더 자장배향을 위한 공간 자기장 해석결과를 바탕으로 중심자계 12,000G를 확보하기 위한 170A급 Power Supply 확보, 비자성체 구간이 필요하여 기존 가류금형 부품 일부 소재변경을 실시함
: 마그네틱 엔코더 가류 중에 Magnetic Field Coil에 자장을 인가하여 자석고무의 유동성이 가장 높을 때 Ferrite를 C축으로 배향시켜 배향도를 증가시키고자 함
: 자장 배향 금형 설계 (1차 설계)
→ 성형시 Ferrite 소재 배향성 향상을 위해 자기장을 형성하고 성형되는 부위의 자기장을 집중시키기 위하여 다음 그림과 같이 가공성을 고려하여 금형 소재를 선정하여 1차 금형 설계를 완료함
→ 성형부 소재는 SOOO 금형구조부 소재는 NOOO로 선정
→ 1차 설계 안에 따라 시작 금형을 제작 후 시제품 제작시 성형으로 인해 발생하는 압력에 의해 타 금형소재에 비해 인장강도가 낮은 SOOO소재의 금형부에서 변형이 발생하여 금형 소재 변경 필요할 것으로 판단함
: 자장 배향 금형 설계 (2차 설계)
→ 1차 설계결과에 따른 SOOO소재의 금형부에서 변형으로 인해 소재의 강도가 높은 비자성체 초경을 적용하여 2차 금형 설계를 다음 그림과 같이 실시함
→ 성형부 소재는 비자성체 초경 금형구조부 소재는 NOOO로 선정함. 이때 초경부의 강도유지를 위해 초경보호용 슬리브 제작 및 열박음하여 사용함
→ 2차 설계 안에 따라 시작 금형을 제작 후 시제품 제작 시 다음 그림과 같이 금형 파손이 발생하여 금형 성형부의 구조보강이 필요할 것으로 판단됨
: 자장 배향 금형 설계 (3차 설계)
→ 2차 설계결과에 따른 WOO소재의 금형부에서 파단이 발생하여 OO소재 금형부의 강도 확보를 위하여 OOO보호용 슬리브를 추가로 적용하여 3차 금형 설계를 다음 그림과 같이 실시함
→ 성형부 소재는 비자성체OOO 금형구조부 소재는 NOOO로 선정함. 이때 OOO부의 강도유지를 위해 SOOO 소재의 OO보호용 슬리브 제작 및 열박음하여 사용함
: 전류변화에 따른 금형 내부 자기장 형성 특성 비교 (3차 설계)
① 해석 모델링 개요
→ 자장배향 특성 평가를 위해 아래 그림과 같이 금형의 부위별 자성 및 비자성 소재를 선정하여 배치하고, 금형 외부에서 자기장을 걸어주어 금형내부의 자기장 형성 특성을 분석하고자함
→ 실제 금형설계 형상은 상하형이 붙어있지 않고, 실제 제작을 하게 되면 금형간 간격들이 존재하지만 해석의 편의를 위해 금형 각각의 Parts 들이 면이 접촉하고 있는 형태로 형상을 수정하였으며, 전체금형이 하나의 형상을 유지하고 있는 조건으로 면과 면이 서로 접촉되어있다는 조건으로 자기장 해석을 실시
② 전류변화에 따른 자장해석 결과
→ 동일한 금형 형상에 전류에 변화를 주어 전류 세기에 따른 금형내 자기장 변화를 검토해 본 결과 다음 그림과 같고 전류의 세기에 따라 자기장의 세기가 선형으로 변화하는 것을 확인 할 수 있으며, 해석 결과를 바탕으로 소재의 배향에 영향을 주기위한 전류값 예측이 가능할 것으로 판단됨
- 자장배향 마그네틱엔코더 착자공정 후 자기적 특성평가 실시
o Air Gap 0.2㎜ 4200Oe 이상 고자장 발생용 고속회전식 착자요크설계 및 개발
- 마그네틱 엔코더 Pole Width가 협소한 만큼 자력특성을 최대한으로 올리기 위해 ∅70㎜, 92pole 이상 미세 착자 Pattern에 적합한 착자헤드 설계 및 제작을 진행함
- FEM 해석을 통해 1Core, 3Core 형상 변형 및 Turn수에 따른 자장분석을 실시하였으며 Core 선단 각도에 따른 자속밀도량을 분석하여 고자장 발생용 착자헤드 형상 설계
- 마그네틱 엔코더와 착자헤드 간 Air Gap 0.2㎜에서의 코일 권선량 (80turn, 160turn)에 따른 자장분포 분석 및 코일에 인가되는 전류(2㎄ ~ 8㎄)에 따른 철심의 자화율 분포 분석을 실시한 결과 약 3㎄에서 철심은 포화상태를 나타내었으며 이를 통해 코일과 자장 발생 Pole간 최적 착자 조건을 도출함
- 적용 제품 범위 최대화를 위한 착자폭 Pitch 4㎜ 이상 시 착자 저하에 대한 회로 보완
: 고질적으로 발생하는 착자요크 폭 대비 대상체의 자화영역이 클 경우 회전 착자에서는 철심의 크기가 작음으로 인하여 자화율이 현저히 떨어지는 현상이 발생됨
: 단펄스 적용방식의 착자회로는 회전착자 시 착자폭을 넓혀 제품을 만드는데 한계가 있음
: 단펄스로 전류를 일정시간 t까지 코일에 흘려 줄 경우 과다 발열이 발생하며, 이때, 저항값의 상승에 따라 전류값이 감소하는 원인으로 발생자장의 균일성이 떨어짐
: 고보자력 마그넷의 경우 착자 시 에너지를 계속 인가할 수 없어 회전형이 아닌 일체형(Yoke type)을 적용하여 제품을 생산함. 본 방식에 착안하여 회전형 착자폭 확대 전개를 위해 미분방식 전류 공급 착자기술 개발함
: 착자 폭에 대한 전류공급을 미분공급했을 경우 정확한 형태의 착자 구현이 가능함 확인
o 공간, 최단시간 동선, Loading/Unloading 정밀성을 고려 재단→착자→착자검사→조립공정 자동화 시스템 설계
- Encoder – Pack Seal 투입간 거리, 작업자 동선, 공정속도 개선, 착자 및 검사 Capa. 조립라인 설치 및 공간확보, 보전 용이성을 고려하여 3차에 걸친 Concept Design을 수정하여 최종 승인도 도출
o 재단→착자→착자검사→조립공정 자동화 공정기술 및 시스템 개발
- 사용자 주도 입력방식 GUI설계를 통한 생산성 확보
- 착자요크의 정확한 위치이동을 위한 서보모터 구동 회로부 구성
: 착자요크헤드 이동정밀도 : 0.01㎜ 이하
- 대량 자동생산을 위한 제품 적재 공급부, 배출 적재부 설치
- 검사센서의 정확한 위치 Air Gap 확보 서보모터 구동 회로부 구성
- 퀵타입 그리퍼 교체 방식 적용으로 기종변경 용이
- 착자 기능분리 적용 C/T 단축 : 1회 착자공정 30sec → 분리 후 17sec
- 착자 환경설정용 GUI의 구성
: Programming 가능한 착자 극수 설정, 착자폭 설정, 기준 펄스 공급용 Encoder 펄스 수 설정, 자동제어 상태 모니터링 GUI 프로그래밍
- Pitch 2㎜이하 착자용 Master PCB 모듈 개발
: 단위 Counter 모듈 CPLD/FPGA를 이용한 Programming 가능한 동기착자 모듈제작 및 적용
: 착자파형의 형태 및 각도 정확성 확보
: 최소 0.5㎜ ~ 최대 10㎜ 회전형 착자방식 착자폭 구현
기술개발 배경
o 대상기술 지원의 필요성
- 현재 중국과 북미를 중심으로, 전기자동차시장의 수요가 창출되고 있고 이를 기반으로 한 자율주행차 개발에 많은 자본이 투자되고 있으나, 국내에서는 해외에 비해 그 투자가 미미한 편임
- 그 이유로 열악한 인프라 환경과 국내 전기자동차 시장규모가 개발비 대비 그 이윤이 크지 않아 투자가 이루어지지 않고 있으나 향후 전기자동차 및 자율차는 국내 자동차 관련 기업이 놓쳐서는 안 될 큰 시장임
- 이에 기존 내연기관 자동차에서 사용되고 향후 전기자동차 및 자율주행차에 사용될 수 있는 부품 위주로 고기능화 고품질화하여 기술경쟁력 확보 및 시장선점이 중요함
- 본 과제의 개발대상 부품인 자속밀도 11G급 고자력 마그네틱 엔코더는 차량의 후륜에 장착되어 속도를 검출하는 부품으로 향후 전기자동차 및 자율주행차에도 지속적으로 사용될 것이므로 시장성이 우수하고, 높은 신뢰성의 자기적 특성을 갖는 기술개발을 통해 12bit급 이상 고분해능 마그네틱 엔코더 시장에 확대적용이 가능하기에 지원이 필요함
o 대상기술 지원의 시급성
- 현재 Rear Wheel Bearing Unit용 마그네틱 엔코더의 성능을 만족하는 업체는 UMC社(일본)로, 해당기술 시장의 경우 UMC社가 독점 공급하고 있음
- Wheel Bearing Unit의 국내외 높은 시장점유율을 가진 일진베어링(한국) 조차 UMC社 (일본) 제품을 적용할 수 없는 상황이나, 한국SKF씰(주)는 국내기업 최초로 고객요구사양에 적합한 시작품을 개발 및 공급하였고, 현대기아자동차 1500cc급 승용차에 적용되는 K3 Project 견적요청 및 구매확약서를 받은 상태임
- 한국SKF씰(주)는 2006년부터 2014년까지 CAGR 28.0%의 고속성장을 지속하여 세계일류상품기업 선정, 5000만불 수출탑 수상, 월드클래스300기업 선정, 고용친화대표기업으로 선정될 만큼 건실한 기업이었으나, 최근 국내외 자동차 경기 악화로 2018년 에는 매출액 1,010억원으로 –9% 성장세로 돌아섰으며, 특히 2019년에는 예상매출액 970억원으로 R&D 긴축제정이 불가피한 상황으로 가격경쟁력확보, 관련기업과의 기술협력 및 공정기술개발 공유가 어려운 실정임
- 또한, 한국SKF씰(주)는 제품 포트폴리오 특성상 향 후 친환경 자동차시장의 성장은 악제로 작용할 전망이며, 이에 기존 내연기관자동차는 물론 향후 친환경자동차, 자율주행자동차에 사용될 수 있는 부품 위주의 신속한 제품 포트폴리오 전환이 절실히 필요한 상태임
- 이에 본 과제의 개발 대상 부품인 11G급 고자력 마그네틱 엔코더는 차량의 후륜에 장착되어 속도를 검출하는 부품으로 시장성이 우수하고, 고신뢰성의 자기적 특성을 바탕으로 12bit급 이상 고분해능 마그네틱 엔코더시장에 확대 적용이 가능하기에 지원이 반드시 필요함
핵심개발 기술의 의의
o 핵심개발 기술
- 치수변형율 최소화 가류금형 구조 최적화 기술 개발
- 금속보강링 치수정밀도 향상 프레스 금형 개발
- 생산속도 12.5sec/EA 자동화 착자시스템 개발 및 공간, 최단시간 동선, Loading/Unloading 정밀성 확보
- 고자력 마그네틱 엔코더용 Ferrite 고배향 공정기술 및 가류금형 개발
- 고함량 Ferrite Loading Workability 확보 분산기술 확보
o 핵심개발 기술의 의의
- Rear Wheel Bearing Unit용 마그네틱 엔코더는 UMC社(일본)에서 시장을 독점하고 있었으나, 본 핵심기술 확보를 통해 더욱 뛰어난 성능과 가격경쟁력을 바탕으로 시장우위를 선점할 수 있다는 점에서 기술개발의 의의가 있음
- 향 후 구동바퀴는 전륜 밀폐 구조가 적용될 전망으로 본 핵심기술 개발을 통해 디자인상 다양한 Sensing Position을 선택할 수 있는 성능을 가지는 마그네틱 엔코더 제조 기술보유는 독점적 고부가가치 기술보유라는 점에 큰 의의가 있음
- 주관기관의 제품 포트폴리오에 있어서 오일씰 관련 부품업체에서 친환경/미래형 자동차 센서부품 업체로 탈바꿈하는 계기가 됨에 의의가 있음
- 본 과제를 통해 고신뢰성의 단피치에러율, 누적피치에러율, 자력비를 확보함에 따라 12bit 이상 마그네틱 엔코더 시장에 확대 적용할 수 있어 관련 산업분야 전반에 기술적 시너지효과가 클 것으로 기대함
- 과제 기획 당시 일진베어링 구매확약을 기반으로 개발 진행한 결과, K3 Project PO 승인 및 AB SKF V713 부품 개발착수(PPAP) 진행 중
적용 분야
자동차 ABS제어시스템의 한 부품으로 Front/Rear Wheel 베어링 내 휠 속도 센서뿐만 아니라, 절대위치검출용 센서모듈로써 Electric Motor, Car Actuators, 산업용 Steering, Gear box, Robot Arm, Dron, ABS for Railways 등에 적용 가능함
(출처 : 초록 4p)
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