소형 물류 분류용 자기부상 시스템 개발

1.1 스마트 물류 센터

과거의 물류센터는 소품종 대량 출고 형태로 적재, 보관, 출하와 같이 단순한 기능을 하는 창고의 개념이었으나 최근의 물류센터는 경제 활동의 글로벌화 및 기술의 고도화에 따른 소비자의 요구가 다양화되고 개성화 되면서 물류 운송, 입고, 보관, 출고 등 물류 센터 전 분야에 걸쳐 IT 기술, 센서, 정보통신 및 제어기술이 상호 간 유기적으로 연동하여 관리되는 하나의 자동화 프로세스로서 ‘스마트 물류센터’의 관심이 고조되고 있다^[1-3]. 또한 빠른 배송에 대한 시장 수요가 증대됨에 따라 최종 소비자가 원하는 방식으로 제품을 빠르게 공급하기 위하여 배송 리드타임을 단축하고 서비스 품질을 높이는 것에 대한 관심이 커지고 있어 소규모의 도심형 라스트마일(last mile) 물류센터의 필요성이 높아지고 있다. 이러한 소규모 물류 창고에서는 적은 공간을 효율적으로 활용할 필요가 있으나 기존 물류 분류 시스템에서 많이 활용하는 분류기와 컨베이어 벨트의 조합의 분류 시스템은 분류 부분과 컨베이어 부분이 따로 존재하여 큰 면적이 필요하여 소규모 물류 창고에는 적합하지 않으며 초기 구성비용이 높고 컨베이어 벨트 사용으로 인한 안전 문제, 마모 및 부식 부품 교체, 수리 등 관리 비용 문제 등이 발생하게 된다.

1.2 자기부상 물류 이송 시스템

평판형 자기부상 기술을 이용한 이송 및 분류 시스템은 컨베이어 벨트를 이용한 이송 시스템의 단점을 보완할 수 있는 기술로 모듈 형식의 스테이터로 공간에 구애 받지 않고 원하는 이송 경로를 구현할 수 있어 소규모 물류 창고에서 효율적인 공간활용이 가능하며, 다중 이송체 구성을 통해 많은 물량을 동시에 처리할 수 있고, 장비고장이나 노후화 등과 같은 유지 관리 비용 문제도 해결할 수 있다. 또한 자기부상 물류 이송 시스템은 자기부상을 활용하여 청정 물류에 사용될 수 있으며, 고정밀성을 바탕으로 정밀 핸드폰 제조 공정에도 적용될 수 있다. 이미 해외 시장에서는 자기부상 물류 시스템인 독일 Beckhoff社의 XPlanar, 캐나다 Planar Motor社의 XBot 등의 제품이 개발되어 판매 중이며, 이러한 기술의 국산 시스템의 개발을 통한 경쟁력 확보가 필요하다. 이러한 자기부상 시스템은 유도 전자기 방식과 동기 모터 방식이 있는데, 본 연구에서는 정밀 제조 공정에도 적용할 수 있게 범용성을 높이고자 더 정밀한 방식인 동기 모터 방식을 채택하여 개발을 수행하였다.

자기부상 시스템은 이송체를 전자기력으로 부상시키고 동시에 추진하는 시스템으로, 저중량의 단일 몸체와 가이드 등의 연결부가 없어 비접촉 및 무마찰 구동이 가능하기 때문에 고정밀을 구현하기에 적합하고 행정거리 확장에도 적합한 시스템이다. 자기부상 시스템은 크게 권선이 움직이는 이동 권선형(moving coil) 방식^[4]과 자석이 움직이는 이동 자석형(moving magnet) 방식^[5]으로 나눌 수 있다. 이 중 이동 권선형 방식은 권선의 스위칭이 없어 제어가 쉬우며 권선의 수가 적기 때문에 증폭기가 적게 필요한 장점이 있으나, 이송체의 권선에 연결된 케이블이 움직이므로 외란이 심하여 정밀도 향상이 어렵고 행정거리 확장이 힘들다는 단점이 있다. 반면에, 이동 자석형 방식은 상대적으로 제어가 어려워 구현하기에 어려움이 있으나 부상 및 추진하는 이송체 부분이 자석이므로 케이블에 의한 외란 전달이 없고 권선 배열을 확장하는 것만으로 행정거리를 쉽게 확장할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

본 논문에서는 FEM 해석을 통하여 이동 자석형 방식의 평판형 자기부상 이송 시스템의 기초 특성 분석을 분석하고, 해석 결과를 토대로 권선이 위치하는 고정부의 확장 및 제거가 용이하도록 하여 요구되는 행정거리를 확보할 수 있고, 다양한 형태의 이송 경로에 대응할 수 있는 권선 모듈과 영구자석으로 이루어진 이송체 설계를 수행하였다.

2.1 평판형 자기부상 이송 시스템 구조 및 구동 원리

평판형 자기부상 시스템은 매우 간단한 구조를 가지고 있으며, 크게 이송부와 고정부로 나뉜다. 이송부는 자속을 생성하는 영구자석과 공극에서 자속을 집중시키기 위한 백 요크로 구성되며, 고정부는 전류를 인가하여 힘을 발생시키는 권선과 권선을 고정시키는 프레임으로 구성된다. Fig. 1은 본 연구에서 설계한 자기부상 이송시스템의 구조를 나타내며, Fig. 2는 2차원 영구자석 배열과 권선 배열의 전류 인가 시 부상 및 추진 원리에 대해 나타낸다.

Fig. 1

Structure of planar maglev transport system

Fig. 2

Principle of levitation and thrust of planar maglev system

평판형 자기부상 시스템은 Fig. 2와 같이 X 방향에 따라 변하는 자속 밀도와 권선 배열의 각 권선에 흐르는 전류와의 로렌츠 힘을 이용하고, 권선 배열의 각 권선은 자속 밀도에 따라서 120°의 위상 간격을 갖도록 하는 다상의 선형 동기 모터의 원리를 기본으로 한다. 동기 모터는 원하는 방향으로의 힘을 얻기 위해서 각 권선의 위상에 따라 전류를 제어하여 시스템을 구동할 수 있으며, 3상 권선 배열에서 x 방향 및 z 방향으로의 추진력의 크기는 식 (1)과 (2) 같이 나타낼 수 있다.

식 (1)과 (2)에서 l은 각각 권선의 길이, I는 전류의 세기, τ는 자석의 극 피치, B는 권선에서의 자속 밀도이다. 선형 동기 모터에서 z 방향 자속 밀도만 사용하는 반면에, 평판형 자기부상 시스템은 x와 z의 두 방향 자속 밀도를 사용하여 추진력과 부상력을 얻는다. 식 (1)과 (2)를 이용해 식 (3)과 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 K_z와 K_x는 힘 상수이며, 권선의 l길이 과 자속 밀도 B는 각 위치에 따른 정현파 관계의 함수로서 상수화 할 수 있다. 전류 I는 식 (4)와 같다.

이를 통해, 3상 권선 배열에서 목표로 하는 추진력과 부상력을 발생시키기 위한 필요 전류 및 전력을 계산하여 시스템의 전원 공급 장치를 구성하는데 사용할 수 있다.

2.2 평판형 자기부상 이송 시스템 설계

2.2.1 권선 및 자석 배열 설계

영구자석과 권선의 배열에 따른 구동력에 관련된 연구는 이전부터 진행되어 왔으며^[4], 영구자석의 극 피치를 결정함에 따라 권선의 크기와 3상 배열 사이의 간격을 결정할 수 있는 연구^[6]에 따라서 Fig. 3과 같이 크기를 결정할 수 있다. m은 9피치의 영구 자석 배열과 백요크를 합한 두께가 10 mm 라고 가정했을 때의 이송체의 무게, w_s는 3상 권선 배열의 너비, w_c는 권선의 두께, g_c는 권선 두께 사이의 공간 너비, g_s은 같은 방향으로 놓이는 3상 권선 배열 사이의 거리를 나타낸다. τ는 정사각형 영구자석의 한 변의 길이이며 τ_m은 45° 회전된 영구자석의 극 피치이다. 영구자석 극 피치에 따른 권선에서의 각 변수들의 크기와 이송체 무게를 Table 1에 정리하였다. 계산했던 결과를 이용하여 목표 중량에서 부상 및 가속 작동을 구현하기 위하여 자석의 극 피치를 결정하기 위하여 시스템의 목표 스펙을 고려해야 한다. 본 연구에서는 정밀 핸드폰 조립 물류에 적용과 기존 연구에서 진행한 목표와 동일하게 최대 6 kg의 부상력과 최대 20 m/s²의 가속력의 사양을 목표로 설계를 진행하였다^[7]. 자석은 Mover의 무게를 3 kg 이하로 가져가기 위해 20 mm의 영구 자석으로 결정하였다.

Fig. 3

Shapes and parameters of the winding arrangement of the stator

Table 1

Winding size and mover weight according to pole pitch

영구 자석의 피치에 따라 정해진 권선의 평면 크기가 정해졌으므로, 권선의 높이를 정하기 위하여 이송체의 2-D 자석 배열 표면으로부터의 높이에 따른 각 방향 자속의 평균값을 Fig. 4와 같이 이송체를 단순화시킨 모델의 FEM 해석을 통하여 확인하였다. FEM 해석에는 Ansoft 社의 Maxwell 프로그램이 사용되었다. 그 결과는 Fig. 5에 그래프로 도시하였으며, 세 방향의 자속 모두 13 mm 높이를 지나며 0에 수렴하는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 권선의 높이를 10.5 mm로 결정하였다.

Fig. 4

FEM analysis model with simplified mover

Fig. 5

Average value of magnetic flux in each direction according to the height above the surface of the PM

앞에서 정해진 권선의 크기에 따라서 하나의 권선을 제작할 때 사용하는 도선의 굵기에 따라서 감은 수, 총 도선의 길이, 저항을 계산할 수 있다. 권선은 충진율이 높고 감은 수가 많은 직교 권선 제작 방식으로 제작된다고 가정하였다. 사용된 변수는 Fig. 4에 나타냈다. d는 구리 도선의 굵기, l_c은 권선의 직선 구간 길이, h_c는 권선의 높이를 나타낸다. 변수들을 이용하여 도선의 굵기에 따른 도선의 총 턴 수, 총 길이, 권선의 저항을 Table 2에 정리하였다. 본 시스템에서 사용하는 구리도선은 2종 폴리에스테르이미드 도선을 활용하였으며, 0.2~0.7 mm 범위에서 평균적으로 10% 정도로 피막두께가 형성되기 때문에 구리도선의 직경의 10%를 추가하여 코일 감은수를 계산하였다.

Fig. 6

Shape and variables of rectangular winding

Table 2

Number of turns and resistance of windings according to the diameter of the conductor

2.2.2 권선의 힘 상수

앞의 해석 결과를 통해 정한 권선의 높이를 적용하여 권선에 전류를 인가하여 이송체 위를 이동할 때, 단위 전류 당 추진력 및 부상력을 통해 권선에서의 힘 상수를 구할 수 있다. 이를 위하여 이송체 위를 권선이 1 mm 부상할 때를 가정하여 이송체 및 코일 모델을 만들고, FEM 해석을 통하여 부상력 및 추진력을 확인할 수 있다. 도선은 절연된 구리 도선을 사용하며, 영구 자석은 NdFeB 계열 자석, 백요크는 1010 탄소강의 물성치를 이용하여 Fig. 7의 해석 모델과 같이 3 피치를 이동하는 동안의 부상력 및 추진력 해석을 진행하였다.

Fig. 7

Force analysis model and analysis setting values

해석은 100 A의 전류를 인가하여 진행하였다. 이에 따라 Fig. 8과 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 이송체의 양 끝의 단부 효과를 제외하고 정현파 형태의 결과에서 힘 상수를 얻을 수 있다.

Fig. 8

Result of levitation and thrust force analysis

해석 데이터를 정현파 형태로 피팅하여 나타내면 3상 권선 세트의 단위 전류 당 힘 상수를 구할 수 있다. 각 힘 상수를 이용하여 필요한 힘을 내기 위한 최대 전류 및 전력을 다음과 같이 구할 수 있다. Fig. 9와 같이 총 2개의 권선 세트에 전류가 인가되면 수평으로 놓인 4개의 권선 세트에서는 x 방향 추진력과 부상력을 만들고, 수직으로 놓인 2개의 권선 세트에서는 y 방향 추진력과 부상력을 만든다. 이를 통하여 단순 부상 시 필요 전류 및 전력량과 부상 및 추진이 동시에 이루어 질 때의 필요 전류 및 전력량을 구할 수 있다.

Fig. 9

Generated force from each winding set for 6-DOF motion

4.1 시스템 위치안정성

위치 안정성은 제어기 위치 피드백을 활용하여 1 mm 부상시킨 이송체가 6 자유도 방향으로 정지 상태일 때, 변위 센서로 측정한 이송체의 위치 데이터를 이용하여 테스트하였다. 측정 결과는 Fig. 14와 Table 3에 나타냈다.

Fig. 14

Result of position stability test of transport system

Table 3

Position stability of the transport system

위치 정밀도는 10 초 동안의 위치 오차 움직임의 RMS 값과 3σ 값을 이용하여 측정하였으며, 총 3회 측정값의 평균으로 결과값을 평가하였다. 구성한 평면형 자기부상 시스템의 위치 정밀도는 약 20 μm로 평가하였다.

4.2 시스템 최대 속도 성능

최대 속도 성능은 제어기 위치 피드백을 활용하여 1 mm 부상시킨 이송체를 x 방향으로 500 μm 이동시켰을 때의 위치 변화를 측정한 뒤, 변위 센서로 측정한 이송체의 위치 데이터의 미분 값을 이용하여 최대 속도를 테스트하였다. 측정 결과는 Fig. 15와 Table 4에 나타냈다.

Fig. 15

Result of maximum speed test of transport system

Table 4

Maximum speed of the transport system

실험을 총 5회 반복하여 실행한 뒤 계산된 최고 속도의 평균값으로 평가하였다. 평가 결과, 평균적으로 약 0.8362 m/s의 최대 속도로 구동할 수 있는 것으로 평가되었다.

4.3 시스템 세틀링 시간

세틀링 시간은 제어기 위치 피드백을 활용하여 1 mm 부상시킨 이송체를 x 방향으로 500 μm 이동시켰을 때의 위치 변화를 측정한 뒤, 제어 명령을 내린 시점부터 이송체의 위치가 최종 제어 명령값의 2% 이내로 들어가는 시점까지의 시간을 계산하여 테스트한다. 측정 결과는 Fig. 16와 Table 5에 나타냈다.

Fig. 16

Result of settling time test of transport system

Table 5

Settling time of the transport system

실험을 총 5회 반복하여 실행한 뒤 계산된 세틀링 시간의 평균값으로 평가하였다. 평가 결과, 평균적으로 약 0.9 초의 세틀링 시간을 갖는 것으로 평가되었다.