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ㆍ년/월/일	2014-10

초고층빌딩을 위한 속도 6m/sec급 엘리베이터 권상기 개발
초고층빌딩을 위한 속도 6m/sec급 엘리베이터 권상기 개발
Traction Machine of Elevator Velocity 6m/sec for Ultra High Rise Elevator

기고 : 송준호·이길행·박경강·김윤수((주)코리아엘텍)·임재훈(티센크루프엘리베이터코리아(주))

1 . 서론

최근 초고층빌딩 건축이 글로벌 아이콘으로 자리매김함에 따라 초고속 엘리베이터 수요가 증가하고 있다. 초고층 빌딩의 대형 프로젝트는 결국 초고속 엘리베이터 성능, 품질, 가격 등으로 결정될 수 있다. 따라서 초고속 엘리베이터용 초고속 권상기는 핵심부품으로 고부가가치를 창출할 수 있다.
기술적 측면에서 엘리베이터 권상기는 사람이나 화물을 운반하는 카를 로프를 통해 구동시키는 주요기기로서 자동차의 엔진부와 같은 동력원에 해당된다. 이는 수송능력이나 승차감의 향상, 에너지 절감, 공간 절감, 안전성 확보 등의 요구에 부응하면서 발전해 왔다. 특히 초고속용 엘리베이터의 요구 특성은 대형·고용량의 엘리베이터 시스템 운영에 따르는 높은 에너지 소비에 대한 구동 모터의 고효율화 설계, 경량화한 Compact한 권상기 설계로 건축물의 하중을 줄이고 Lay-Out성을 높여야 된다.
또한 구동 모터는 최대 토크 10,000Nm 이상의 고토크를 발생하고, 쾌적한 승차감을 위해 맥동토크가 1% 이하여야 한다. 이밖에도 수명 30년을 확보할 수 있는 완벽한 시뮬레이션과 설계 검토 및 신뢰성 시험 등으로 월드 베스트 제품의 품질을 확보해야 한다.
본 논문에서는 당사의 초고층 빌딩에 적용하는 초고속 엘리베이터용 초고속 권상기 개발 과정과 주요 기술에 관해 소개한다.

2 . 초고속 엘리베이터 권상기의 기술 동향

초고층 빌딩에 설치된 초고속엘리베이터에서는 진동이나 소음이 작고 우수한 승차감을 실현하는 모터와 시브를 직결한 기어리스 권상기가 일반적으로 적용된다.
1980년대부터 1990년대에 걸쳐 감속기의 고효율화와 인버터 제어방식의 실용화 등 구동장치의 에너지 절약화가 진행됐다. 2000년대에 이르러서는 동기모터를 채용한 기어리스 권상기를 미쓰비시에서 처음으로 초고속엘리베이터에 적용했으며 ‘에너지 절약’과 더불어 ‘권상기의 Compact화’를 실현했다.
일반적으로 대용량화는 모터와 권상기의 대형화가 수반돼 공간 배치성이 나빠질 수 있지만, PMSM의 특징으로 인해 권상기의 Compact화가 가능하게 되어, 종래의 유도모터에서는 대응할 수 없었던 제한된 기계실 공간으로 엘리베이터 시스템의 실현이 가능하게 됐다. [그림 2]와 같이 최근에는 초고층 빌딩에는 PMSM 기어리스 권상기가 대부분을 차지하고 있다.

3. 초고속 권상기 설계

3.1 초고속 권상기의 특징 및 사양
초고속 권상기의 특징은 아래와 같다.
1) 최대 토크 10,000Nm 이상의 고토크 필요
2) 쾌적한 승차감을 위해 맥동토크 1% 이하
3) Compact한 Size로 중량 최소화
4) 에너지 절약을 위한 고효율
5) 축 하중 380톤에 견디는 기계 구조(축 하중 38톤 x 10배 안전율 = 380톤)

3.2 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 설계
3.2.1. 공극 길이의 선정
전기적으로 공극 길이는 짧을수록 큰 출력을 낼 수 있다. 그러나 기계적인 제한 즉 조립상의 어려움, 제작공차의 불균일에 의한 편심, 자기흡인력 및 반발력에 의한 진동, 축 하중에 의한 변형 및 처짐량 등을 고려해야 한다. 일반적으로 공극 길이가 크면 토크리플 및 코깅토크가 저감되는 이점이 있지만 누설자속이 커져 출력은 떨어진다. 초고속 권상기의 PMSM의 공극은 대략 3~5mm 정도이다.
3.2.2. 극수 및 슬롯수 선정
[표 2]는 PMSM의 슬롯수와 극수와의 조합을 나타냈다. 초고속 엘리베이터 권상기의 경우 회전수가 150~300rpm이므로 극수는 대략 24~60극 정도이다.
초고속 권상기 PMSM는 대부분 분포권선 방식이며 슬롯수는 72~150슬롯이다. 슬롯수와 극수의 조합은 초고속 권상기의 특성 특히 맥동토크와 밀접한 관계가 있다.
3.2.2. 영구자석 형상 설계
영구자석 형상 설계에서 제일 중요한 치수가 자석표면 원호 길이(MOffCent)와 자석 각도(BetaM)이다. 이들은 서로 상관관계가 있고, 코깅 토크와 토크맥동에 중요한 인자이다.
또한 최악의 상태(최대 온도 및 최대 전류)에서 영구자석의 감자(특성 저하)가 발생하지 않도록 자석의 두께(Lm)를 설계해야 한다. 초고속 권상기 모터의 경우 자석의 두께는 대략 8~12mm 정도이다.

3.3 PMSM의 FEM 시뮬레이션
최근에는 컴퓨터 기술의 발달로 계산양과 계산수식이 복잡해도 빠른 시간에 결과를 얻을 수 있게 됐다. 따라서 당사에서는 유한요소법(FEM : Finite Element Method)을 통해 정밀하고 최적화된 모터 설계값을 얻을 수 있었다.
특히 엘리베이터 승차감에 영향을 주는 맥동토크의 경우는 기존의 자기등가회로법(Permeance Method)으로 값을 구하기 힘들었다. FEM 해석 시뮬레이션을 통해 얻은 PMSM의 토크 곡선을 살펴보면, 맥동토크의 1% 이하의 최적화된 결과를 얻을 수 있었다.

3.4 초고속 권상기 기계 해석 및 설계
[표 3]은 초고속 권상기 주요부품의 기계강도 FEM 해석 결과를 정리한 것이다. 해석 결과, 안전율 10배 이상으로 안전함을 확인했다. 또한 권상기 안전성 확보를 위해 그리스 누유를 차단하기 위해 2중, 3중 차단하는 구조로 설계했다.

4. 초고속 권상기 테스트타워 시험

초고속 권상기는 티센크루프 천안공장 테스트타워에서 시험했다. [그림 5]와 [그림 6]은 초고속 권상기 테스트타워 시험 및 결과이다. 이에 따르면 온도상승 시험결과 각 부위의 온도상승은 매우 양호했으며 카의 승차감 또한 월드베스트 수준인 것을 확인할 수 있었다.

5. 결론

이상 당사의 초고층 빌딩에 적용하는 초고속 엘리베이터용 권상기의 설계와 그 기술에 관해서 소개했다. 최근 중동 정세의 불안으로 유가상승에 따라 에너지 절약에 대한 관심이 높아지고 있고, 국내에서도 에너지 절약을 위한 고효율 제품을 장려하고 있다.
PMSM 적용 기어리스 초고속 권상기는 유도전동기 적용 기어리스 권상기보다 10% 이상의 에너지절약이 가능한 제품이며 친환경적인 제품이라 판단된다. 향후에는 엘리베이터 속도 10m/sec, 행정거리 400m, 모터 출력 100kW 이상 되는 초고속 권상기를 개발해 고객의 요구에 부응해 나갈 계획이다.