메카트로닉스 연구그룹 주요기술

메카트로닉스 연구그룹 주요기술 한국전기연구원 메카트로닉스 연구그룹 구대현 그룹장 연구그룹 소개 회전형 전동기와 선형전동기에 대한 연구를 거듭한 결과 지금은 세계 최대 고출력 선형 추진시스템 기술 및 세계 최대 착자기 기술 등 최근 사업이 첨단화됨에 따라 요구되는 고속, 고출력, 고효율, 고정밀 장치의 전기구동 시스템의 개발과 관련해 국내외적으로 우수한 기술을 보유하고 있다. Mechatronics 기술은 기계(Mechanics)와 전자(Electronics)관련 기술을 이용해 산업분야의 요구를 구현하는 융합 기술로 전철, 전기자동차, 선박, 항공기의 전기추진 시스템과 전동력 장치, 발전기, Magnet 응용기기, 정밀기기, 공작기계에 적용할 수 있다. 메카트로닉스 연구그룹은 책임급 연구원 2명, 선임급 연구원 10명, 해외초빙연구원 1명, 위촉연구원 10명으로 현재 총 23명의 연구원으로 구성되어있고, 연구원의 전공은 전기기기 분야 11명, 전력전자분야 6명, 제어분야 2명, 기계분야 4명으로 Mechatronics 기술에 필요한 전기기기, 전력전자, 제어 및 기계 분야 국내 최고의 요소기술 전문가를 보유하고 있다. 현재 메카트로닉스 연구그룹 홈페이지를 구축함으로서 인터넷을 통한 정보 교환이 활발히 이루어지고 있다. 메카트로닉스 연구그룹 홈페이지(http://www.keri.re.kr/iarc_group/03/)에서는 먼저 그룹과 연구원에 대해 간단하게 소개하고 있으며, 현재 진행 중인 주요연구사업과 연구 장비 목록 및 그룹에서 발표된 연구논문 및 특허 현황을 볼 수 있다. 또한 과기부 국가 지정 연구실 사업으로 진행 중인 초고속 회전기 연구실 관련 내용을 독립적으로 운영하여 주요 연구 내용, 연구개발 실적, 기술정보, 발표 논문 등의 내용을 제공하고 있다. 그리고 한전으로부터 고효율 인버터 마크 제도 시험기관으로 지정되어 운영 되고 있는 고효율 인버터 지정 시험과 관련하여 시험 관련 규정, 시험 장비 및 시험 신청 양식 등을 제공하고 있다. SMART 제어봉 구동장치 및 냉각재 순환 펌프용 전동기개발 원자력 중장기 계획사업의 일체형 원자로 SMART (System-intergrated Modular Advanced ReacTor) 개발에서 원자로의 출력을 제어하기 위해 직선형 전동기에 의해 운전하는 1,000N급 제어봉 구동장치와 냉각재를 순환 펌프용 32kW급 canned 유도형 전동기와 제어기를 개발하였다. 현재 본 연구 결과물은 실제의 원자로에 적용하기 위해 두산중공업에서 신뢰성시험을 수행하고 있다. 고출력 횡자속 선형전동기 개발 한국전기연구원 자체 기본사업과 과학기술부 목적기초연구사업으로 ‘영구자석 여자 횡자속 선형전동기를 이용한 가진기의 개발’을 완료하여 <그림3>와 같이 구동력 800N과 위치오차 5μm를 가지는 영구자석 여자 횡자속 전동기와 제어기를 개발하였다. 기존의 영구자석여자 선형 동기 전동기와 개발 영구 자석 여자 횡자속 선형 전동기와의 특성에서 개발 전동기의 단위 무게당 추력 [N/kg=발생추력/전동기 무게]비가 4배 이상 되고, 특히 공극이 큰 선형 유도 전동기에 비해 효율을 30% 이상 향상 가능하다. X-선 전산화 단층촬영장치용 3상 Ring-motor 개발 보건복지부 G7 기업수탁으로 리스템(주)와 X-선 전산화 단층촬영장치의 직접구동형 CT 갠트리를 지멘스, 도시바 이어 세계 3번째로 개발하였다. 영구자석 여자 동기형 전동기를 사용하여, 간접벡터PWM 및 편심보상제어기를 사용하여, 회전력 240Nm, 속도정밀도는 편심무게 9kg 조건에서 0.16%이하이고, 운전범위는 0~60 rpm, 소음은 60dB (종래75dB) 이다. 현재 촬영 장치와 결합된 본 시제품은 현대 중앙병원에서 시운전 중이며, 리스템(주)은 미국 Analogic(주)과 갠트리 부분만 판매하기위해 수출 협상 중이다. 비접촉(CPS: Contactless Power Supply) 전원공급 장치 개발 신성이엔지(주) 기업수탁으로 반도체 초청정 공정이송용 Stocker에 요구되는 비접촉 전원공급장치를 독일, 일본에 이어 세계 3번째로 개발 하였다. 기존의 전원 공급장치는 약 40m의 케이블에서 공급하였으나, 고속 주행 시 마찰에 의해 분진이 발생되어 Stocker 내의 고청정 유지가 어렵기 때문에 비접촉 전원장치의 사용은 불가피하였다. 공극이 있는 고주파 변압기원리를 이용하여 1차측은 약 25kHz의 전력변환장치와 페라이트 코아를 사용하였고, 2차측은 ritz wire와 공심 코아를 사용하였다. 신성이엔지는 이미 삼성전자(주)와 15대(대당 5억)의 스토커(stocker)납품 하였고 LG-Philips와 5대(대당 20억)를 납품하여 총 175억의 납품실적으로 올렸으며 미국 PRI사와도 계약 진행 중에 있다. 터보기기 Gearless 구동용 200kW, 30000rpm급 유도전동기 및 제어기 개발 현재 초고속 회전(20,000~60,000rpm)을 요구하는 기기는 중속의 터빈엔진이나 전동기(1,800~6,000rpm)에 증속 기어를 이용하여 고속회전을 얻고 있어 기어의 소음, 효율, 중량 등이 큰 단점이다. 초고속을 요구하는 기기의 동력원이 기어 없이 고속화된다면 기존의 단점을 보완할 뿐더러 고효율, 소형·경량, 저소음, 고신뢰성을 얻을 수 있어 현재 기술 선진국에서 고속전동기가 개발되어 기존의 동력원에 도입되고 있는 실정이다. 본 연구그룹에서는 산업자원부에서 시행한 에너지·자원기술개발사업의 연구과제로 자기베어링을 채용한 터보기기 Gearless 구동용 200kW, 30000rpm급 유도전동기와 제어용 인버터를 개발하였다<그림6>. 기존 컴프레서를 본 고속회전기로 대처할 경우 시스템 효율이 약 10% 향상되고, 설치공간이 1/10로 감소되어 공간 효율성을 향상시키며, 소음과 고장의 원인인 증속기어가 필요없어 시스템의 고신뢰성을 얻을 수 있다. 마이크로 터빈용 고속 발전기 및 전기관련 기기개발 최근 분산 에너지 공급에 대한 요구가 높아지고 있으며 1998년 미국의 Capstone사가 30kW급 마이크로 가스터빈을 이용한 발전시스템을 세계 최초로 상용화함으로써 새로운 시장을 연 이래 기술선진국 업체에서는 30~200kW급까지 다양한 모델을 개발하여 시장 진입단계에 있는 실정이다. 고속 발전기를 채용한 시스템은 이전의 증속기어를 부착한 시스템보다 증속기의 오일 사용과 고장 및 보수, 관리 등의 유지보수비가 절감되고 자체적인 에너지 전달 효율도 높으며 자원과 공간이 절약되는 등 많은 효과를 얻을 수 있다. 초고속 회전기 및 전력변환장치를 실현하기 위해서는 전기, 전자, 제어, 기계, 재료 등 광범위한 기술이 결집되어야 한다. 본 그룹에서는 에너지절약기술개발사업의 1단계 3년간(2001. 12~2004. 12) 마이크로 가스터빈 발전시스템용 65kW, 61000rpm급 고속 전동/발전기(Alternator, Air-foil베어링 채용)와 단독운전 및 계통연계운전이 병행 가능한 전력변환장치를 개발하였다. 고속 전동/발전기는 가스터빈엔진을 초기에 점화시키는 구동 전동기로 동작하다가 엔진이 가동된 후 발전기로서 동작한다. 고출력 선형 추진시스템 반도체 제조라인 내부 환경의 초청정 확보 및 반도체 제조설비의 국산화율 증대를 위해 영구자석을 이용한 자기 부상, 횡자속 선형 전동기를 이용한 수평 및 수직 이송 그리고 비접촉 전원 장치가 결합된 반송 시스템을 개발하였다. 설계사양은 수평이송시스템(추력 2500N), ropeless 수직이송시스템(추력 3000N), 영구자석을 이용한 1000kg 자기부상, 30kW급 비접촉 전원공급장치 개발로 구성되어 있으며 본 연구에서 개발된 수평 및 수직 이송시스템은 국내 Clean-room 설비제조업체인 신성이엔지(주)에 기술 및 특허 이전 계약 완료하여 현재 사업화가 진행 중이며 관련 기술을 이용한 선형 이송 시스템에 대한 실용화 연구가 추진되고 있다. 1.2MW 권선형유도발전기 제어용 전력변환장치 개발 해수부 과제로 한국해양연구원에서 수행하고 있는 해양에너지실용화기술개발 과제에서 지원받아 수행된 내용으로, 1.2MW 권선형 유도발전기 제어용 전력변환장치를 국내 처음으로 개발하였다. 권선형유도발전기(DFIG)의 고정자측 유효전력제어와 역률제어, 그리고 계통측의 역률과 DC_link 전압 일정 제어 기능을 구비하고 있으며 전부하(full load) 조건에서 검증되었다. 양방향 에너지 수수가 가능한 구조를 가지고 있음으로 하여, 종전의 RCC (rotor current control) 유형의 전력변환장치와 비교할 때 20% 정도의 에너지를 동일 조건에서 더 회수할 수 있는 장점이 있으며 역률 개선용 커패시터나 DC_link 전압을 일정하게 제어하기 위한 제동 저항을 필요로 하지 않는다. 1MW급 울돌목 시범 조류발전소(500kW 발전시스템 2종) 구조물이 완공되는 2006년도에 500kW 권선형유도발전기 제어용 전력변환장치를 현장에 설치하여 2007년도부터 현장시험을 진행할 계획이다. 750kW (500kW) 동기발전기 제어용 전력변환장치 개발 산자부 에너지관리공단의 에너지자원 기술개발과제로 수행한 것으로, 750kW 동기발전기(SG)를 갖는 풍력발전기 제어용 전력변환장치를 국내 처음으로 개발하였다. 발전 측에서의 최대출력제어와 역률제어, 계통측에서의 DC_link 일정전압제어와 역률 1 제어 기능, 여자전류 제어 기능을 갖고 있다. 그리고 풍력발전시스템의 브레이드를 제어하는 피칭제어와 로터 부분의 자세를 제어하는 요잉제어 기능을 갖고 있다. 전력변환 효율은 92%, 역률은 0.99 준위의 제어 성능을 갖으며 전부하 조건에서 성능을 검증하였다. 500kW 동기발전기 제어용 전력변환장치는 울돌목 시범 조류발전소에 설치되어 2007년도부터 현장시험을 진행할 계획이다. 현재 진행 연구개발 초고속 영구자석 회전기 및 전력변환장치 개발 일본의 日經産業新聞 특집 21세기의 신기술·신시장 조사에서 2020년 신기술의 세계 시장 200위중 초고속 회전기를 필요로 하는 기술은 에너지분야를 포함하여 14개 제품에 시장규모는 816조원에 달하는 미래 첨단 고부가 가치 제품을 개발하기위한 요소기술임을 나타내고 있으며, 초고속 영구자석 회전기의 개발에는 전자계 시스템설계, 착자기술, 냉각설계 및 열해석, 구조설계 및 진동해석, 고속베어링 기술, 전력변환장치 및 제어기 등 집약적인 메카트로닉스 기술이 요구된다. 본 연구그룹에서는 국가지정연구실사업으로 초고속 회전기연구실을 운영하여 1단계(2000.6 ~ 2002. 6) 2년간 대형 고밀도 영구자석 회전자를 착자하기 위한 착자기술(희토류자석, 착자사이즈:쬳153× L220)을 개발하였고, 2단계는 사업이 출연(연)으로 이관되어 2005년 12월까지 200kW, 30000rpm급 초고속 영구자석 전동기와 전력변환장치를 개발하여 특성시험을 수행하고 있다. 차세대 고효율 횡자속 선형 전동기 차세대(7세대~8세대) LCD 이송 장치에 적용하기 위하여 연자성 분말 코아와 회생형 전력변환 장치를 적용한 10,000N급 선형 추진 시스템을 개발 중이다. 1단계 (2003.12~2005.12)에서는 사진 15와 같이 최고 속도 3m/s의 10,000N급 횡자속형 선형 전동기 및 전력변환 장치를 개발 완료하였으며 2단계 (2005.12~2007.12)에서는 연자성 분말 코아를 적용하고 모듈화를 추진하여 상용화 기술을 관련 업체에 이전할 계획이다. 저속 고토크 회전기 횡자속형 전동기는 높은 토크 밀도를 갖는 장점이 있지만 제작상의 어려움으로 회전기에는 적용이 용이하지 않았지만 연자성 분말코아나 새로운 적층구조의 적용으로 새로운 설계 및 응용이 가능하게 되었다. 메카트로닉스 그룹에서는 그동안 선형 전동기 개발 기술을 바탕으로 <그림16>과 같이 25N.m, 300rpm의 회전형 횡자속형 전동기의 시제품을 개발하였으며 향후 가전 및 저속 고토크를 필요로 하는 여러 응용 분야 (골프카, 휠체어, 풍력 발전기, 전기추진 선박 등)에 적용하기 위한 연구를 계속 진행 중이다. 평판형 멀티 브러시레스 전동기 평판형 브러시레스 전동기는 기존의 원통형 전동기에 비해 회전자 및 고정자의 축방향 다층 구성이 가능하여 단위 체적당 고토크를 발생시킬 수 있다. 1차년도에서는 그림에서와 같이 7.5kW급 1800rpm 평판형 브러시레스 전동기 및 제어기 시작품을 개발 완료하였으며, 2, 3차년도에서는 15kW급 1800rpm 평판형 브러시레스 전동기 및 제어기를 개발하고 이를 바탕으로 축방향 다층 구성의 평판형 멀티 브러시레스 전동기를 개발하여 상용화 기술을 관련 업체에 이전할 계획이다. 리니어 Compressor용 선형 전동기 개발 횡자속 선형전동기를 구동원으로 이용하고 기계적인 공진특성을 이용한 액추에이터로서 2003년 말부터 연구를 시작하였다. 1단계(2004-2006)에서 에어컨용 선형압축기에 적용하고자 한다. 또한 데스크탑 및 서버용 선형압축기, 우주항공용 액추에이터, 통신설비 및 미세구동형 액추에이터 연구를 추진할 예정이다. 핵심 내용은 SMC코어 및 왕복 액추에이터 구동용 횡자속 선형전동기 설계 그리고 이를 이용한 기계적인 공진시스템 적용이며 이와 관련된 구동 드라이브 및 부수적인 부품을 개발할 예정이다. 프리미엄급 고효율 유도전동기 프리미엄급 고효율 유도전동기는 기존 고효율 유도전동기 보다 2~4% 효율을 향상시킨 것으로 2008년 고효율 전동기가 일반화 전동기가 된 후 리베이트할 차세대 고효율 전동기이다. 현재 3상 유도전동기의 경우 5HP, 7.5HP, 10HP급, 단상 유도전동기의 경우 1.5HP, 2HP, 3HP급 전동기 개발을 목표로 연구를 진행 중이다. 1단계(2005.7~2008. 7)에서는 동다이캐스팅 기술을 포함 프리미엄급 고효율 유도전동기 개발을 위한 핵심 설계, 생산 기술 등을 확보하고 이를 바탕으로 프리미엄급 고효율 전동기의 시험 평가 및 기준안을 제정하여 산자부 고시를 목표로 하고 있다. 철강압연기용 전동기와 제어기 및 계측진단 시스템 결합성능 평가 이 과제는 에너지 관리공단 중대형 과제로 진행중이며, 철강압연기용 전동기는 효성중공업에서 1[MW]급으로 제작하였으며, 인버터의 경우 포스콘에서 2[MW]급으로 제작한 시제품을 특성시험을 하고 있다. 철강압연기용으로 제작된 전동기와 제어시스템은 사용되는 조건이 대단히 나쁘기 때문에 전동기와 제어시스템의 신뢰성 확보를 위하여 장시간에 걸친 실부하와 같은 특성시험이 반드시 필요하다. 현재 한국전기연구원에서는 대용량 전동력 특성시험평가를 위하여 총 40억원의 자금을 이용하여 2[MW] 전동력 특성평가 장비를 설치하였다. 이 특성장비는 기존의 다이나모 시스템과는 달리 시험에서 발생하는 에너지를 전력변환장치를 이용하여 전원으로 약 85[%]이상 회생시켜 15[%]미만의 에너지만 시험장치에 공급되면 되기 때문에 에너지 절약이 대단히 높은 시험장치이다. 따라서 이 시험장치를 이용할 경우 장시간 시험에 소요되는 많은 전력비를 절감할 수 있는 장점을 지니고 있다. 그리고 이 대용량 다이나모 시스템은 인버터를 이용하여 부하전동기를 제어하기 때문에 속도제어와 토크제어를 할 수 있으므로 특성시험을 장시간에 걸쳐 신뢰성만 확보된다면 제품의 상용화는 큰 문제가 없을 것으로 예상된다. 대기전력 및 고효율 전동기 기술기준 정부에서는 에너지 절약을 위하여 2008년부터 고효율 전동기를 일반화 전동기화 하는 정책을 추진하고 있다. 이를 위하여 당 그룹에서는 고효율 전동기를 일반화하기 위한 기준안 작성과 시험방법을 확립하기 위하여 선진 각국의 시험방법 및 기준안에 대한 자료 수집과 분석을 실시하고 있다. 연구 목표는 2006년 고효율 전동기의 일반화 추진을 위한 기준안을 산자부 고시를 목표로 하고 있으며 이를 위한 국내 시험방법을 정립할 계획이다. 고효율 인버터 지원 사업 고효율 인버터 지원제도는 팬, 펌프, 송풍기, 그리고 압축기처럼 전동기 속도에 따라 전동기 부하가 2승으로 변동되는 전동기를 제어하는 인버터를 대상으로 하며, 인버터를 적용하게 하여 가변속 운전을 통해 에너지를 절감하고, 제한된 최대 주파수 범위 내에서 운전되도록 함으로써 첨두 부하(peak load)를 저감시키기 위한 제도인데, 2001년도부터 인증을 받은 인버터 제품을 설치하는 수요자에게 구입가격의 30%에서 40%에 상당하는 금액을 환급하고 있다. 현재 본 그룹을 통해 고효율인버터로 인증을 받은 기업체로는 엘지산전을 비롯하여 Rockwell Automation Korea, 현대중공업, 포스콘, 서호전기, ABB 등 국내 시장을 점유하고 있는 대부분의 기업체로부터 실적을 가지고 있다. 본 사업관련 안내는 http://www.keri.re.kr/iarc_group/ 03/03.html 에서 볼 수 있다. 보유 특허 및 등록 프로그램 본 그룹이 현재 보유하고 있는 특허는 국내 40건, 해외 11건, 프로그램 등록 2건으로 2002년 이후 10건의 관련 기술을 기업에 이전 하였으며, 특히 영구 자석 여자 횡자속 선형전동기 이용 수평 및 수직 이송장치는 국내 반도체 및 차세대(7세대 및 8세대) LCD Stocker에 적용하기 위해 장비 공급 업체와 구체적인 사양 협의가 진행 중이다. 인프라 구축 한국전기연구원 메카트로닉스 연구그룹은 회전기와 직선형 기기의 전동력 특성을 시험 평가 하기 위하여 국내 최고의 전동력 측정 시스템을 구성하고있다. 산업 자원부 자동 제어반 국산화 연구시설 확충에 의해 면적 300평, 천고 10m, 10ton 크레인을 구비하고 있다. 3MW의 수·변전 설비를 보유하고 있으며, 다이나모 시스템의 경우 1kW에서부터 최고 2MW의 전동력 특성 시험이 가능한 시험 설비가 구축이 되어있어 전동기와 인버터 특성시험이 가능하며 전동기의 경우 KOLAS 인증기관으로 되어있다. <그림19>는 실험실에 설치된 회전력 시험 장치의 부하 발전기로, 경우에 따라서는 전동기로 사용가능하다. 또한 3차원 로드셀 4개를 이용하여 선형 전동기의 위치 및 인가 기자력에 따른 추력 및 흡인력을 측정할 수 있도록 <그림20>과 같은 정특성 시험 장치를 구비하고 있으며 이외에 다음과 같은 장비 및 프로 그램을 구비하고 있다. · 전동기 특성 실험 장치 (5kW, 15kW, 60kW, 200kW, 1MW, 2MW) · 전자장 수치해석 프로그램(Magnet5, Maxwell, Flux-2D, Ansys) · Digital Oscilloscope · Current Probe · Universal Power analyzer · Dynamic signal analyzer · DAS · Temperature record · EPLD development tool · DSP emulator · Logic analyzer · Infrared thermal video 향후 추진 연구개발 계획 한국전기연구원 메카트로닉스 연구그룹은 미래 시장에 대한 예측을 바탕으로 미래 수요를 충족시키기 위해 미래 산업 차원에서 향후 개발하여야 할 필요 기술과 제품을 조사하고, 현재까지 축척된 기술력과 보유 장비를 이용하여 향후 10년간 추진 예정인 연구 개발 프로그램을 보유하고 있다. 프로그램은 구성의 내용은 향후 20년 후 산업계에서 필요한 Mechatronics 기술을 4-H (High-power density, High-speed, High-efficiency, High-accuracy) Mechatronics 기술로 정의하고 향후 10년 이내 세계 5위 이내의 기술 진입 을 목표로 한다. 고속 회전기분야의 200kW, 60,000rpm의 유도기 및 PM motor와 공작기기용 스핀들 시스템 개발의 제원을 확보한 상태이고, 1MW급 풍력 발전기와 선박용 10MW PM motor는 현재 계획 중이다. 특히 선형추진 분야에서는 이미 확보된 세계 제1의 고출력(High-power density) 설계기술과 제작기술을 더욱 발전시켜 2~3년 이내에 10,000N급 이송시스템을 차세대 (7세대~8세대) Main LCD Stocker에 적용 예정이며, 2012년까지 경전철 및 지하철용 선형 추진시스템을 개발하고, 2015년 승강기 추진시스템을 획기적으로 변경시킬 4인승 ropeless 승강기 추진시스템을 완성하고자 한다.