Investigation of System Efficiency of an Electro-hydrostatic Actuator with an External Gear Pump

소형 외접기어펌프를 사용하는 EHA의 시스템 효율 분석

Abstract

In this study, the maximum system efficiency of the electro-hydrostatic actuators was experimentally investigated, where small size external gear pumps with volumetric displacement under 1.3 cc/rev were combined with a 400W servomotor as the prime mover. Since the efficiency data of the servomotor, gear pumps and hydraulic cylinder were not provided by the suppliers, experimental apparatuses for their efficiency measurement were extra built up. When a gear pump with a volumetric displacement of 1.27cc/rev was used on an electro-hydrostatic actuator system, the maximum system efficiency was not higher than 70%. This was because the most effective operation ranges of the motor and pump did not coincide each other. In order to match their operation ranges as one of the most crucial design factors, a speed reduction mechanism can be used, such as a timing belt. It was shown in the study that the maximum system efficiency could be increased from 70% to 76% in that way.

1. 서론

서보 모터로 구동되는 펌프와 실린더, 보조 밸브들로 구성되는 EHA(Electro-hydrostatic actuator, 전기 정유압구동기)는 펌프의 회전속도를 변화시켜 실린더로 공급되는 오일의 유량을 제어하므로 밸브제어 방식의 전기유압구동장치보다 동적 반응은 느리지만 시스템 효율이 높다는 장점이 있다.^1-2) 펌프와 실린더 사이의 배관에서 발생되는 압력 손실을 무시하면, 고효율의 모터 드라이버, 고효율의 펌프, 저마찰 유압실린더로 구성된 EHA는 적어도 80% 이상의 높은 시스템 효율을 나타낼 것으로 기대되지만, 실제로는 모터와 펌프, 실린더 각각의 전효율이 90%에 달한다 할지라도 이들 부품이 조합된 시스템 효율은 72.9%밖에 되지 않는다.

S. Michael은 외접기어 펌프와 편로드 실린더로 구성된 EHA에 최적 사양의 부품을 사용하였을 때 약 72.3% 정도의 최고 시스템 효율이 얻어지는 것으로 예시되어 있는데^3-4), 어떤 사양의 부품들을 조합하여 어느 정도의 시스템 효율을 얻을 수 있는지에 초점을 맞춘 문헌들은 찾기 어렵다. ⁵⁾ 그 이유는 수많은 종류의 모터와 펌프, 실린더에 대한 효율 데이터를 확보하기 위해 별도로 시험기를 구비하여 직접 측정하는 것은 많은 비용과 노력이 필요하기 때문일 것이다.

EHA를 설계할 때에는 동일한 최대 유량을 얻기위해 소형 펌프를 고속 모터와 조합하는 것과 대형펌프를 저속 모터와 조합하는 것 중 어느 것이 유리한 지를 먼저 판단하게 된다. 이때 대부분의 관심 대상인 동적인 응답속도는 동특성 해석으로 예측할 수 있으나, EHA의 최대 시스템 효율이 얼마나 될지는 각 부품들의 효율 자료와 작동 영역의 정의가 명확하지 않으면 알 수가 없다. 만일 효율 면에서 불리하게 설계된 EHA를 낮은 부하에서 주로 작동시킨다면 시스템 효율은 50%를 넘지 못할 수도 있다. 최고 전효율이 90%대에 이르는 피스톤 펌프를 사용하는 경우에도 EHA의 시스템 효율을 고려해서 전기모터와 펌프의 고효율 영역을 매칭 시키는 것은 불필요한 동력 손실과 발열을 줄인다는 측면에서 매우 중요한 주제이다. 하물며 최고 전효율이 80% 내외에 불과한 외접기어 펌프를 사용할 경우는 더 세심한 고려가 필요하다.

본 논문에서는 1.5cc/rev 이하의 소형 펌프로서 가격이 저렴하고 최고 부하 압력 280bar, 최고 회전속도 5,000rpm 이상을 허용하는 외접기어펌프를⁶⁾ 400W의 서보모터와 조합하였을 때 얻을 수 있는 최고 시스템 효율을 실험적으로 분석하고, 그 결과를 바탕으로 일반적으로 EHA의 설계 시 시스템 효율을 극대화하기 위해 고려해야 할 사항과 개선 방안을 도출하였다.

2. EHA 구성품의 동력 효율 측정 방법

Fig. 1과 같이 EHA를 구성하는 전기 모터와 드라이버, 유압 펌프, 유압실린더에는 각각 동력변환 손실이 발생된다. 모터 드라이버로 공급된 전력은 전기모터와 드라이버에서 발생되는 전자기적 손실과 전기 회로에서의 전력 손실에 의해 감소되어 서보 모터의 기계적인 출력으로 변환되며, 그 전효율은

\(\eta_{m o}=\frac{T \omega}{N}\)       (1)

이며, 유압 펌프를 구동하는 모터의 토크와 회전속도는 유압 펌프의 누설 손실에 의해 줄어든 유량과 마찰 손실에 의해 감소된 압력으로 변환된다. 즉, 유압펌프의 전효율은

\(\eta_{p o}=\frac{Q p}{\omega T}=\frac{Q}{V_{p} \omega} \times \frac{V_{p} p}{T}=\eta_{p v} \times \eta_{p m}\)       (2)

이며, 유압 실린더로 공급된 유량은 누설 손실만큼 감소되어 피스톤의 속도로 변환되고, 마찰 손실만큼 감소된 구동력을 발생시킨다. 즉, 유압실린더의 전효율은 다음과 같다.

\(\eta_{c o}=\frac{F v}{Q p}=\frac{A v}{Q} \times \frac{F}{p A}=\eta_{c v} \times \eta_{c m}\)       (3)

여기에서

N=모터 드라이버에 공급되는 교류 전력 [VA]

Q,p=펌프의 실제 송출 유량과 압력 [lpm, bar]

F,v=유압실린더의 실제 구동력과 속도 [N, mm/s]

_ηmo = 전기 모터와 드라이버의 전효율

η_pv, η_pm, η_po=펌프의 체적 효율, 기계효율 및 전 효율

_ηcv, η_cm, η_co=유압 실린더의 체적 효율, 기계 효율 및 전효율

Fig. 1 Configuration of EHA system

본 논문에서 효율 측정 실험에 선정된 부품들의 주요 사양은 표 1과 같다. 서보 모터의 정격 출력은 400W이며, 기어 펌프는 외접기어형으로 배제용적이 0.57cc/rev, 0.76cc/rev, 1.27cc/rev인 3 가지를 선정하였다. 유압실린더에는 저마찰 시일(seal)이 적용되었고 유효단면적과 행정은 임의로 선정되었으며, 마찰력과 누설을 측정하기 위한 용도로 제작되었다.

Table 1 Specifications of the components

유압 펌프에 공동현상이 발생되지 않도록 펌프 입구 압력은 3bar로 일정하게 유지하고, 출구압력을 180bar까지 변화시키면서 서보 모터와 드라이버의 효율, 유압 펌프의 효율을 측정할 수 있도록 Fig. 2에서 보는 바와 같은 실험 장치를 제작하였다. 서보 모터 드라이버 입구에서는 공급된 전력, 서보 모터의 출구에서는 토크와 회전속도, 유압 펌프의 출구에서는 유량과 압력을 측정함으로써 각 부품의 시스템 효율을 측정할 수 있게 하였다. 실린더의 시스템 효율을 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 3과 같이 별도로 구성하였으며, 실린더의 구동 속도와 마찰력 간의 관계를 측정함으로써 마찰 손실을 구하였다. 유압실린더에서의 누설은 없기 때문에 고려하지 않았다. 이와 같은 효율 측정에 사용된 센서들의 사양은 표 2와 같다.

Fig. 2 Experimental apparatus for measuring the efficiencies of motor and pump

 

Fig. 3 Experimental apparatus for measuring the efficiencies of cylinder

 Table 2 Specifications of the sensors

3. 측정 결과와 분석

서보 모터와 드라이버의 전효율을 측정한 결과는 Fig. 4와 같다. 최대 효율이 95% 미만으로 나타나며, EHA가 주로 작동하는 1,000rpm 이하에서는 75% 내외로 나타났다.

 

Fig. 4 Power conversion efficiency of servo-motor and driver

0.57cc/rec 크기의 유압 펌프에 대하여 체적효율, 기계효율, 전효율을 각각 측정한 결과는 Fig. 5와 같다. 체적효율은 저압의 고속 회전 영역에서 높고 기계효율은 저속 고압에서 높기 때문에 최고 전효율이 고속 고압 영역에서 75% 정도로 나타났다. 유사한 경향의 체적 효율과 기계 효율을 보이는 0.76cc/rev펌프에 대해 전효율만 나타내면 Fig. 6과 같다. 이에 반해, Fig. 7에 보인 1.27cc/rev펌프는 다른 두 펌프보다 더 높은 전효율을 나타냈으며 중속, 중압에서 전효율이 높다는 점에서 차이를 나타냈다. 이는 Fig. 7a, b와 같이 효율이 측정되기 때문인데, 즉 기어와 기어 하우징 간에 동일한 조립 틈새를 가정하면 배제용적이 클수록 동일한 누설에 대해 토출 유량의 비율이 증가하여 체적효율이 더 좋게 나타나고, 이와 유사한 원리로 배제용적이 증가하는 만큼 구동축에서의 마찰력은 증가하나 기어 측면의 마찰력은 동일하므로 기계효율도 더 좋게 나타나기 때문이다.

Fig. 5 Volumetric, mechanical and total efficiencies of 0.57cc/rev pump

Fig. 6 Total efficiency of 0.76cc/rev pump

Fig. 7 Volumetric, mechanical and total efficiencies of 1.27cc/rev pump

유압실린더의 동력변환 효율을 측정한 결과는 Fig. 8과 같다. 피스톤에서의 누설이 없도록 하되 마찰력을 최소화하였기 때문에 저압영역만 아니면 전효율이 93% 이상을 나타낸다.

Fig. 8 Total efficiency of hydraulic cylinder

Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11은 3종류의 펌프를 한 종류의 서보모터, 유압실린더와 조합하여 EHA를 구성했을 때 예측되는 전효율을 보여준다.

Fig. 9 Total efficiency with 0.57cc/rev pump

Fig. 10 Total efficiency with 0.76cc/rev pump

Fig. 11 Total efficiency with 1.27cc/rev pump

Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11에서 유압실린더의 구동력과 속도로부터 펌프의 출구 압력과 유량을 구하고, 펌프 의 출구 압력과 유량으로부터 서보 모터의 토크와 속도, 모터의 토크와 회전속도의 곱으로부터 모터 드라이버로 공급되어야 하는 전력을 구하면 다음과 같다.

\(p=\frac{F}{\eta_{c m} A}, Q=\frac{A v}{\eta_{c v}}\)       (4)

\(T=\frac{p V_{p}}{\eta_{p m}}, \omega=\frac{Q}{\eta_{p v} V_{p}}\)       (5)

\(N=\frac{T \omega}{\eta_{m}}\)       (6)

따라서 펌프의 배제용적 V_p와 실린더의 유효단면 적 A에 따라서 펌프와 유압실린더의 작동영역이 달 라진다. Fig. 9 ~ Fig. 11에서 유압실린더의 작동영역 이 서로 다른 것은 서보 모터의 전영역을 사용하도 록 역방향으로 영역을 투영하였기 때문이다. 만일 유 압실린더의 단면적도 펌프의 배제용적비와 동일하게 0.56: 0.76: 1.27의 비율로 서로 다르게 제작했다면 동 일한 작동영역을 나타냈을 것이다.

식(4)~식(6)으로부터 유압실린더의 구동력과 속도이 주어지면 EHA의 전체 효율 즉, 시스템 효율은 다음과 같다.

\(\eta_{s y s}=\frac{F v}{N}=\eta_{m} \eta_{p o} \eta_{c o}\)       (7)

위 그림들의 결과를 보면, 3가지 경우 모두 유압펌 프의 전효율이 높은 영역을 사용하지 못하고 있는 것을 볼 수 있다. Fig. 11에서 1.27.cc/rev 펌프를 사용 했을 때 가장 높은 70%의 전효율이 얻어지나, 유압 펌프의 전효율이 가장 높은 영역을 사용하지 못하기 때문에 모터와 펌프의 매칭이 효율 면에서 부적합한 것을 볼 수 있다.

이상과 같은 분석 결과를 바탕으로 EHA의 시스템 효율을 극대화하기 위해 고려해야 할 사항들을 도출할 수 있다. 우선 서보 모터와 드라이버, 유압 펌프의 전효율에 대한 정확한 실측 자료를 바탕으로 각 부품들의 전효율이 높은 영역을 확인해야 한다. Fig. 11의 1.27.cc/rev 펌프와 같이 높은 속도에서 효율이 낮은 펌프를 사용할 경우에는 서보 모터의 효율이 높은 고속 영역과 매칭 시키기 위해 감속기를 사용하는 것을 고려할 수 있다. 만일 Fig. 11에서 타이밍 벨트 등을 이용하여 약 1/2로 모터를 감속 시킨다면 펌프를 회전시키는 구동 토크는 2배로 증가하고, 이에 따라 펌프의 부하 압력도 2배로 상승한다. 따라서 Fig. 12 와 같이 펌프의 효율이 80%인 영역을 사용하게 되므로 EHA의 시스템 효율이 76% 이상으로 증가될 수 있다. 그 결과, 펌프의 압력이 증가하는 대신 유량은 감소하므로 유압실린더의 단면적을 1/2로 줄이면 구동력과 속도 영역이 달라지지 않으며, 유압실린더의 기계효율도 증가시키는 부수적인 효과도 기대할 수 있다.

Fig. 12 Total efficiency with 1.27cc/rev pump driven via 1/2 reduction transmission

만일 EHA가 빈번하게 작동하는 영역이 고부하, 고속이 아니라 저부하 고속, 또는 고부하 저속이라면 시스템 효율이 50%를 넘을 수 없음을 알 수 있다. 따라서 EHA의 시스템 효율을 극대화시킬 수 있도록 설계 단계에서 최적의 부품 선정이 필요하다. 또한, 표면 개질 등을 통해 유압 펌프의 고부하 저속 영역 효율을 개선시킴으로써 EHA의 실효 시스템 효율을 높이는 연구가 필요하다는 것을 알 수 있다. ^7-8)

4. 결론

본 논문에서 1.5cc/rev 이하의 소형 외접기어펌프를 400W의 서보모터와 직결시켰을 때 얻을 수 있는 최고 시스템 효율은 기어 펌프의 최고 전효율에 따라 서 최저 67%에서 최고 70%까지 다르게 나타났다.

EHA의 시스템 효율을 높이려면 실측 자료를 기반 으로 서보 모터의 전효율과 기어 펌프의 전효율이 높게 나타나는 작동 영역이 서로 일치하도록 부품을 선정하거나 보조 수단을 사용하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 모터와 펌프 사이에 감속 장치를 사용하여 EHA의 시스템 효율을 70%에서 76%까지 높일 수 있음을 보였다.

후기

본 연구는 산업통상자원부의 산업융합원천기술개 발사업(과제번호 10047635)의 지원을 받아 수행된 것임.