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구분 논단
게재년월 2003-06
 
엘리베이터용 동기 기어리스 권상기

글 ; 현대엘리베이터(주) 기술연구소 송기학 부장
부제목 ; 외전형 분할코어 스테이터 설계·적용으로 모터 박형화 달성
게재월 ; 2003년 6월호

엘리베이터는 건축물의 수직 운송기구로서 중요한 역할을 수행하고 있으며 그 중요성은 날로 높아지는 추세에 있음을 주지의 사실이다. 특히 엘리베이터 권상기는 승객이 탑승하는 카를 구동시키는 중요한 기계장치로 승차감의 향상, 에너지 절감, 공간 절감 등의 요구에 부응하면서 발전해 왔다.
권상기는 전기적 회전작용을 하는 전동기 이외에 승강기에 연결된 로프를 감아 승강시키기 위한 쉬브와 정지시 카를 정지시키는 브레이크, 모터와 쉬브를 지지하기 위한 프레임, 베어링 및 지지대, 전동기와 권상기를 고정시키기 위한 강철제 베드 등으로 구분될 수 있다.
권상기용 모터의 특징으로는 ▲높은 신뢰성 ▲큰 토오크 ▲쾌적한 승차감을 위한 낮은 토오크 맥동 등을 들 수 있다. 이에 현대엘리베이터(대표이사 사장 최용묵, www.hyundaielevator.co.kr)에서는 효율이나 정숙성이 우수하고 소형화가 가능한 영구자석 동기모터를 이용한 기어리스 권상기를 국내에서 선구적으로 추진하여 상하부 기계실 없는 엘리베이터(MRL)용 동기 기어리스 중속 권상기에서 초고속용 동기 기어리스 권상기까지 다양한 제품을 개발완료하고 현장에 적용하고 있다.
기계실 없는 엘리베이터용 동기 기어리스 권상기는 제품의 우수성을 인정받아 기술표준원으로부터 우수기계인증(EM)을 획득하였으며 박형 영구자석 기어리스 권상기의 개발도 현재 최종 완료단계에 있다. 현대엘리베이터의 영구자석 모터의 특징과 기술은 다음과 같다.
소형화 ; MRL 엘리베이터용 박형 권상기 ; 현대엘리베이터의 독자 기술인 외전형 분할코어 스테이터에 의한 고밀도 권선, 집중권 방식 채용
신뢰성 ; 영구자석의 감자내력 ; 보자력이 큰 Nd-Fe-B계 희토류 자석의 채용 및 온도특성을 배려한 자기회로 설계
저 토오크 맥동 ; 집중권 방식의 토오크 맥동 저감 ; 자기포화를 고려한 자기회로 설계 및 가공오차의 영향분석과 대책

1. 서론
엘리베이터는 건물내 수직운송 교통기관으로서 그 역할이 증대되고 있으며 도시에서 생활하는 사람들에게는 필수적인 운송수단이라 할 수 있다.
현재와 같은 안전장치가 부착된 엘리베이터가 세상에 등장한 지 1백50여 년이 경과하여 지금은 승객을 안전하게 목적하는 층에 운반해주는 종적인 운송수단으로써의 기능만이 아니라 수송효율의 향상, 쾌적성, 에너지 절감, 공간 절감 등과 같은 다양한 요구에 대응할 수 있게 되었다. 이 것들은 주요 부품인 권상기와 밀접하게 관련되어 있으며 권상기의 대폭적인 성능 향상에 의해 엘리베이터는 현저하게 발전해왔다.
최근에는 기계실 없는 엘리베이터가 확대 적용되는 추세에 있으며 이 제품은 건물옥상에 필수적으로 설치되어야 했던 별도의 기계실을 없애고 승강기용 점유공간을 최소화한 것으로 건축주와 건축설계자가 선호하며 건축물의 스카이라인이 미려하기 때문에 입주자들로부터도 좋은 평가를 받고 있다.
본고에서는 엘리베이터 권상기용 모터에 관해 간단하게 설명하고 근래에 주류가 되고 있는 영구자석형 동기모터와 그 주요기술에 관해 소개한다.

2. 엘리베이터용 권상기의 개요

2.1 구동방식의 변천
엘리베이터는 구동원리상 로프식과 유압식으로 구별되지만, 현재 주류는 로프식으로 권상기 쉬브에 로프를 감아 카를 승강시키는 방식이다. 고층빌딩 등에 설치된 고속 엘리베이터에서는 모터와 쉬브를 직결한 기어리스 권상기가 일반적으로 이용됨으로써 진동이나 소음이 적고 우수한 승차감을 실현하고 있다. 아파트나 오피스텔 등에 적용되는 저속 표준형 엘리베이터에서는 모터와 쉬브간에 웜 기어를 채용한 권상기를 사용하는 것이 일반적이다.
1980년대부터 1990년대에 걸쳐 감속기의 고효율화(일본에서는 에너지 절감차원에서 정부가 직접 장려하여 헬리컬 감속기가 중저속 승강기에 주로 적용되고 있다)와 인버터 제어방식의 실용화 등 구동장치의 에너지 절감화가 진행되었다.
1990년 후반에는 동기모터를 채용한 기어리스 권상기를 업계에 처음으로 고속 엘리베이터에 적용했으며 에너지 절감과 더불어 권상기의 소형화를 실현했다. 1999년에는 저속 엘리베이터의 영역에도 적용하여 MRL용 엘리베이터를 실현할 수 있었다. 이와 같이 현대엘리베이터에서는 저속으로부터 초고속까지의 폭넓은 기종으로 확대하여 동기모터를 이용한 기어리스 권상기를 적용하고 있다.

2.2 기어리스 권상기의 동향
현재 공간 절감화, 에너지 절감화의 흐름속에서 저속 엘리베이터는 MRL 엘리베이터가 주류가 되고 있다. 이 경우 권상기는 승강로 내에 설치되어 있기 때문에 소형이면서 조용함이 요구된다.
소음 저감에는 기어리스가 기어드 방식보다 효과적이며 소형이면서 저회전 고토오크가 요구되는 사양에는 동기모터가 적용된다. 또한 권상기의 형상은 원통형과 박형이 있지만 앞으로는 배치성이 좋고, 보다 공간 절감화가 가능한 박형 권상기가 주류가 될 것으로 보여진다.
또한 빌딩의 고층화에 따른 수송능력 향상의 요구가 있어서 대용량화가 진전되어 왔다. 일반적으로 대용량화는 모터와 권상기의 대형화가 있어서 공간 배치성이 나빠질 수 있지만, 동기모터의 특징으로 인해 권상기의 소형화가 가능하게 되어 종래의 유도모터에서는 대응할 수 없었던 시스템의 실현이 가능하게 되었다. 앞으로도 동기모터에 의한 권상기의 대용량화가 추진될 수 있다.

3. 권상기용 모터의 특징과 주요기술

3.1 권상기용 모터의 특징
권상기용 모터는 엘리베이터의 특수한 제품사양에 대응할 필요가 있다. 특징으로서는 건축설비의 주요기기로서의 신뢰성과 더불어 무거운 카를 가속하기 위한 큰 토오크, 쾌적한 승차감을 위한 낮은 토오크 맥동 등을 들 수 있다.
기어리스 권상기용 모터는 일반적으로 저회전 고토오크의 모터이다. 또한 기계 시스템의 카와 보상추나 로프 등의 중량물을 가속시키기 위한 최대 토오크가 커서 고속화 대용량화할수록 최대 토오크는 현저히 증대하게 된다.

3.2 요구특성과 주요기술
소형화 및 배치성 ; 권상기의 소형화는 승강기 관련부품들을 승강로내에 배치하는 엘리베이터에 있어서 특히 중요하며 배치성을 고려한 설계가 필요하게 된다. 예를 들면 현대엘리베이터의 MRL 엘리베이터 SpaceSaver-Ⅲ(측면 직상하부 구동형 MRL 승강기 시스템)에서는 권상기를 케이지와 승강로 공간사이에 배치하기 위해 소형이면서 박형일 필요가 있다.
현대엘리베이터에서는 SpaceSaver-Ⅲ의 개발에 있어서 다극화 소형화 면에서 유도모터보다 유리한 집중권 동기모터를 채용하고 승강기 업계에서는 세계 최초로 엘리베이터용 외전형 분할코어 스테이터를 설계, 적용함으로써 모터의 박형화를 달성했다.
신뢰성 ; 동기모터의 신뢰성을 확보하기 위한 중요한 요소의 일환으로 영구자석의 감자내력을 들 수 있다.
영구자석이 만드는 자속량은 전기자 반작용자계 등의 외부자계에 의해 변동되지만 외부자계가 감자곡선상의 보자력 바로 전에 있는 변곡점을 넘어서면 외부자계를 제거해도 원래의 착자특성까지 회복되지 않는다. 이러한 감자를 방지하기 위해 자석재료는 높은 보자력일 필요가 있다. 또한 소형 고출력의 면에서 높은 에너지적을 가지는 재료가 필요하다. 이러한 관점으로부터 권상기용 모터에서는 Nd-Fe-B계 희토류자석을 채용했다.
Nd-Fe-B계 자석은 고온에서 감자가 발생하기 쉽기 때문에 기기의 사용환경온도를 상정한 자기회로설계와 평가를 행할 필요가 있다. 현대엘리베이터 동기모터에서는 영구자석의 온도특성을 고려하여 필요한 감자내력을 유지하기 위한 설계를 했다.
토오크 맥동저감 ; 엘리베이터의 품질을 유지하는 중요한 특성으로서 승차감이 나빠지지 않도록 토오크 맥동이 작아야 한다. SpaceSaver에서는 개발시 상세한 자계해석을 행하여 다양한 요인에 대한 토오크 맥동을 억제하는 설계를 추구했다. 토오크 맥동의 저감은 엘리베이터용 모터에서 중요한 기술과제라고 할 수 있다.

4. 토오크 맥동 저감 설계

동기모터의 토오크 맥동저감에는 일반적으로 영구자석형상의 최적화에 의한 회전자 기자력 고조파의 저감, 극수 슬롯수비를 포함한 권선배치의 검토, 스큐(경사슬롯) 구조의 채용 등의 설계를 하고 있다. 고속 대용량 기종에서 채용하고 있는 분포권 모터에 있어서는 상기 기술한 이론값 만큼의 토오크 맥동 저감효과를 얻을 수 있다.
또한 대폭적인 박형화 및 스테이터 외경의 증대화와 집중권 방식을 채용한 SpaceSaver용 박형 모터에서는 자기포화나 가공오차의 영향에 의해 이론값 만큼의 토오크 맥동저감 효과를 얻을 수 없다. 이에 따라 자기포화를 고려한 자기 회로설계 및 오차의 영향분석과 대책에 의해 토오크 맥동저감이 가능하다.

4.1 자기포화의 영향저감
모터의 박형화에는 집중권 고정자의 높은 전기장하비가 필요하지만 이 경우 통전시에 고정자 Teeth부에서의 자기포화가 발생하기 쉬우며 분포권 고정자보다도 토오크 맥동이 증가하는 경향이 있다. 이에 따라 자계해석을 이용하여 각 설계 파라미터를 최적화하고 자석형상에 부가하여 고정자 Teeth부의 형상 및 치수를 검토하는 것으로 높은 전기장하설계와 낮은 토오크 맥동이 가능하다.

4.2 가공오차의 영향분석과 대책
모터의 제조과정에 있어서는 이상치에 비해 다양한 가공오차가 생기며 이것에 의한 토오크 맥동의 증가가 발생될 수 있다. 이에 따라 가공오차에 포함되는 토오크 맥동의 요인을 분석하여 자계해석에 의해 가공오차와 토오크 맥동의 관계를 검토했다.

5. 결론

이상 현대엘리베이터의 영구자석 기어리스 권상기용 모터와 그 기술에 관해서 소개했다. 최근에 에너지 소비량이 증가함에 따라 ‘자동차 10부제 운행’ 등 많은 대안이 검토 중에 있다.
실제로 에너지 절약이 효과를 지속적으로 가질 수 있게 하려면 일시적으로 유효한 방안보다는 에너지 절감형 제품을 사용하는 것이 더욱 효과적이라고 판단된다. 이러한 측면에서 현대엘리베이터에서 생산하고 있는 권상기 제품은 시대적 요구에 부응할 수 있는 제품으로 당사 MRL 엘리베이터는 SpaceSaver-Ⅰ(하부구동형 MRL) SpaceSaver-Ⅱ(상부구동형 MRL) SpaceSaver-Ⅲ(측면 직상하부 구동형 MRL) 등으로 다양하게 구성되어 있고 고속 승강기용에 적용되는 Time & Space 기종에도 고속용 기어리스 동기 권상기가 적용되고 있다.
현대엘리베이터의 독자적 외전형 분할코어를 적용한 박형 모터는 현대의 표준기종인 중저속 SpaceSaver-Ⅲ용 엘리베이터에 적용될 예정에 있으며 고속 엘리베이터에도 전개하여 시리즈화할 예정이다(문의 : 현대엘리베이터(주) / 전화. 031-644-4937 / 웹. www.hyundaielevator.co.kr). 

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