[공학저널 전찬민 기자] 현재 첨단산업 분야의 반도체 제조장비 중 하나인 터보펌프용 베어링을 비롯해 소형 컴프레서용, 우주 산업에서의 인공위성 자세 제어용의 모멘텀 휠 등 고부가가치 산업과 전력저장 분야에까지 고속, 고효율의 베어링기술이 요구됨에 따라 베어링 수요와 기술 개발이 점차 확대되고 있다.
자기베어링 시스템은 초고속 회전시스템의 정밀구동과 지능제어를 실현할 수 있는 자기부상 응용기술로, 기계산업(MT)에 정보기술(IT)과 초정밀기술(NT)을 융합하는데 핵심적 역할을 하는 첨단산업 분야의 기반기술이다. 또한, 현존하는 회전운동 메카니즘 가운데 에너지손실이 적고 최고의 회전속도와 높은 정밀도제어를 구현할 수 있는 선도적인 기술이다.
특히, 자기베어링에 의한 비접촉 부상 메카니즘으로 구성된 시스템은 최적의 능동제어 기법을 적용해 외부의 외란에도 불구하고 자율적으로 회전시스템의 자세를 안정적으로 유지하게 된다. 이와 동시에 강인한 Hardware(자기베어링 구동기)와 Software 기술(자기베어링 제어기)을 통해 회전정밀도를 목표치에 정확하고 신속하게 도달시킬 수 있도록 할 수 있다는 것이 특징이다.
뿐만아니라 자기베어링 특히, 능동자기베어링 시스템은 구름베어링(볼베어링, 롤러베어링)과 유체베어링(유체동압베어링, 유체정압베어링) 등 회전기계에서 일반적인 베어링과 비교하더라도 많은 장점을 가지고 있다.
구름베어링의 경우 비교적 저렴한 가격에 요구성능을 만족시킬 수 있지만, 회전속도를 높일수록 상대적인 원심력이 증가돼 베어링의 수명 단축을 가져오기 때문에 고속회전에는 한계가 있으며, 하중지지능력이 높은 반면 감쇠 능력이 현저히 떨어져 진동제어를 위해서 부가적인 댐퍼의 부착이 필요하다. 또한, 유체 베어링은 하중지지력과 감쇠 능력이 뛰어나다는 장점을 가지고 있지만 고속안정성이 떨어지고 고속에서의 에너지손실이 크다는 것이 단점이다.
이러한 구름베어링이나 유체베어링으로 지지된 회전체는 고속운전 시 윤활시스템이 필요해 시스템의 크기가 증대될 뿐만 아니라 이에 따른 유지비용이 발생한다는 것이 가장 큰 단점이다.
반면, 자기베어링 시스템은 전통적인 유막베어링이나 구름베어링에 비해 마찰에너지 감소, 무윤활, 능동 강성, 감쇠 조정 등 많은 장점을 가지고 있고, 가스터빈, 공작기계, 펌프, 에너지 저장장치 등의 고속, 고성능의 회전기계에 점점 적용을 확대하고 있다.
또한, 자기베어링시스템은 전자석, 영구자석에서 발생된 자기력을 이용해 회전하는 축을 기계적인 접촉이 없이 지지하는 메카트로닉스 시스템으로, 수동형 자기베어링과 능동형 자기베어링으로 구분되는데, 수동형 자기베어링은 영구자석의 척력에 주로 의존하기 때문에 일반적으로 강성이 약하고 감쇠 능력이 부족하며 불안정성이 존재한다.
반면 능동자기베어링은 회전축의 위치를 센서로 감지해 궤환제어를 통해 구동기를 적절히 제어함으로써 회전축을 안정하게 베어링의 중심에 부상시킨다. 또한, 베어링의 강성과 감쇠 계수를 자유로이 변화시킬 수 있기 때문에 회전 시에 발생하는 진동을 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
이러한 장점을 통해 자기베어링은 고속회전기에 폭넓게 사용될 수 있지만, 현재 공작기계용 스핀들, 고진공 분자펌프, 터보압축기와 블로워, 플라이휠 에너지 저장장치, 인공심장 혈류 펌프 등에도 사용되며 활용 분야가 더욱 확대되고 있다. 또한, 산업의 고도화와 함께 산업기계가 고정밀, 고속화, 고효율화 되는 추세에 따라 최근 터보 블로워용 자기베어링 시스템 개발을 위한 연구도 수행되고 있어 기대를 모으고 있다.
자기베어링 시스템은 고속으로 작동하는 회전체 특성으로 인해 안정적인 작동을 위한 회전체 동적안정성 해석은 필수적이다. 이에 따라 터보 블로워용 자기베어링 시스템 또한 회전체의 동적안정성 해석을 통해 위험속도와 비틀림 진동을 예측하고, 위험속도 기준으로 30%이상 여유를 보유한 축계와 지지부 설계가 수행된다.
자기베어링 개발에서는 반경방향 자기베어링의 2D 자기회로와 3D 자기해석을 통해 하중능력과 강성을 도출하고 터보 시스템에 설계 사양에 맞는 기초 설계안이 도출된다. 또한, 축방향 자기베어링의 2D 자기회로와 3D 자기 해석을 통해 하중능력과 강성을 도출하고 터보 시스템에 설계 사양에 맞는 기초 설계안을 도출하게 된다.
웨이팡대학교 자기부상 산업대학교 송우유 교수(사진)는 “회전체동력학 해석을 통해 강성모드와 밴딩 모드를 분석하고 터보 블로워와 결합된 자기베어링의 최적의 위치를 도출하고 이를 설계에 반영할 예정”이라며 “특히, 회전체-자기베어링 시뮬레이션 프로그램을 개발해 다양한 케이스와 정격속도에서의 진동과 안정성을 분석하고 개선안을 도출할 계획”이라고 말했다.
이번 연구에서는 회전체 동역학 해석과 자기 베어링 개발과 더불어 자기베어링 제어기의 성능을 고도화하기 위해 회전체의 고유진동수와 위험속도를 분석하고 자이로스코프 모멘트 효과를 보상할 수 있는 자기베어링 다변수 제어기에 대한 설계가 진행된다.
이를 위해 자동 밸런싱 기능을 추가해 진동과 구동에너지를 최소화 할 수 있는 방안 도출하고, 런아웃 등 노이즈를 필터링해 파워앰프의 포화를 막고 고속제어가 가능하도록 제어기를 최적화할 예정이다.
송 교수는 “특히, 자기베어링 제어시스템은 갭 센서, 디지털 제어기, 파워앰프, 자기베어링 구동기에 연결되는 폐루프 제어시스템으로, 폐루프 제어시스템에서 각 구성품의 응답속도는 제어의 성능에 영향을 미치기 때문에 고속 회전속도에서 운전 시 전체 구성품의 위상지연의 합이 일정이상을 넘지 않도록 설계에 반영할 계획”이라며 “이를 기반으로 시스템에 대한 성능평가와 개선을 통해 고속, 고효율 그리고 안정성까지 확보하는 고정밀한 시스템을 개발하고자 최선을 다할 예정”이라고 말했다.
