혁신적인 사례 연구: HBM 토크센서를 이용해 항공 우주 연구개발용 변속기에 항공 우주 연구개발용 변속기에 적용 시키다.

HBM의 스페셜 토크센서 T40HS 는 어떤 극한 환경에서도 0.05%의 정확도로 정밀한 토크 측정 (최대 1,000Nm)이 가능합니다.

'혁신적'이라고 불릴 만한 가치가 있는 프로젝트를 꼽으라면, 최근 BCSA와 HBM이 완수한 프로젝트를 들 수 있습니다. BCSA는 토크, 회전 속도, 정밀도, 복원성, 수명의 측면에서 정교한 어플리케이션에 사용되는 기계력 도입장치 전문 기업입니다.

직원 30명의 이 프랑스 회사는 몇 년 전에 항공우주 분야 F&E 테스트 벤치용 기계식 변속기 시스템을 구축하는 입찰에 참여했습니다. 중국 입찰자의 이 프로젝트에는 테스트 벤치 제작 분야의 여러 유명업체들이 응찰했습니다. BCSA가 낙찰을 받으려면 변속기 내부에 토크 센서를 통합하는 완전히 새로운 기술 솔루션을 제시해야만 했습니다.

 

 

획기적 솔루션

토크와 회전 속도를 결합하여 0.05%급 정밀도로 토크 플랜지(torque flange)를 통합한 솔루션은 지금까지 없었으므로 이는 기존에 시도된 적 없는 획기적인 솔루션입니다. HBM 프랑스의 토크 어플리케이션 담당자인 니콜라스 디 폴(Nicolas Di Pol)은 이렇게 설명합니다. "토크 센서는 당사의 핵심 제품으로서 이 분야에서 경쟁 우위를 확보하기 위해서는 끊임없이 제품의 범위를 확대할 필요가 있습니다. BCSA의 요구에 즉시 대응하여 혁신적인 신제품을 개발할 수 있었던 것도 바로 그러한 이유 때문입니다."

Easing the workload for system integrators

BCSA는 유연성과 혁신을 무기로 매출의 80% 이상을 수출하는 기업입니다. BCSA 변속기 시스템의 기술개발을 통해 표준 제원을 압도하는 수준의 경쟁 우위 확보와 고객의 작업량 경감을 실현했습니다. 조금 더 자세히 설명하면, 파워 테스트 벤치(예: 항공기 모터, 경주용 자동차 모터)에는 전속력 및 시뮬레이션 프로파일(상승과 하강, 커브, 노면의 유형)을 바탕으로 가속 및 감속 과정에서 모터를 정확히 테스트하기 위해 물리적 시뮬레이션, 특히 모터에 가해지는 실제 부하에 대한 시뮬레이션이 필요합니다. 부하는 일반적으로 발전기 모드 및/또는 제동 모드에서 전기모터를 사용하여 시뮬레이션합니다. 대부분의 경우 시험대상 모터(초고속 회전)와 그 보다 약간 낮은 속도에서 구동되는 부하 사이에 기계식 변속기가 설치됩니다. 테스트 벤치에 장착되는 기기는 적어도 한 개의 모터 성능 측정용 토크 센서를 포함하는 시험 및 계측 장비입니다. 일반적으로 토크 센서는 터보 변속기와 시험편 사이의 고속 회전 면에 부착합니다. 항공우주 설비조달 입찰공고에서 BSCA가 응찰한 부문은 당연히 회전 속도가 높은 시스템 측정을 위한 테스트 벤치 시스템이었습니다.

또 한 가지 장점: 터보 변속기에 완전 통합된 토크 센서

BSCA는 프로젝트 수주를 위해 경쟁사와 차별화된 또 다른 비장의 무기가 있었습니다. 데이비드 몬티레(David Montillet) 대표이사의 말을 들어 봅시다. "대체로 테스트 벤치 통합업체는 토크 트랜스듀서를 변속기 입력축의 구동렬에 장착합니다. 여기서 전제되는 조건은 추가적으로 기계 커플링 2개와 토크 플랜지를 축에 설치해야 한다는 점입니다. 즉 많은 면적이 필요하다는 뜻입니다. 축정렬은 특수 전문 기술이 요구되는 작업입니다. 이러한 기술 없이는 진동 및 기계 부하가 누적되어 테스트 벤치 손상을 초래할 수 있기 때문입니다. 이번 경우에는 해결해야 할 과제가 또 하나 있었습니다. 바로 회전 속도입니다. 매우 높은 회전 속도에서 기계적 질량과 부품을 추가할 경우 진동 위험이 커져 최악의 경우 테스트 벤치 파괴로 이어질 수 있습니다. 고객은 이 문제에 대해 잘 알고 있었습니다. 바로 그 점 때문에 당사의 즉시 사용 가능 솔루션인 터보 변속기 내장형 토크 센서가 경쟁에서 최종 승자가 된 것입니다.”

"Promising strategy for the future"

"BCSA가 HBM으로 연락을 했을 때 우리는 그런 요구사항을 충족할 센서가 아직 개발되지 않은 상황이었습니다. 하지만 HBM은 시장의 트렌드를 반영하는 요청에 큰 관심을 갖고 받아들였습니다. 제 경험상 테스트 벤치 통합이라고 하면 기계 부분을 제외한 주로 모니터링 및 전자 부문과의 통합이었습니다. 사실상 시험할 회전 속도가 높으면 높을수록 통합작업은 그 만큼 더 숙련된 전문가의 영역이라고 할 수 있습니다. 1 kNm T40HS 토크 센서를 변속기 내부에 통합하자는 BCSA의 제안은 미래를 내다볼 때 매우 유망한 전략입니다."라고 니콜라스 디 폴(Nicolas Di Pol)은 설명합니다.

이러한 모델 구축은 특히 고속에 적합했으며 HBM은 항공기 엔진 테스트 벤치 등 높은 회전 속도의 토크 센서 수요를 증가시킬 것이라고 직감했습니다. 최근 모터는 중량을 낮추고 연료소모를 줄이기 위해 지속해서 속도가 상승하는 추세입니다.

BCSA 회사 소개

BCSA는 50년 이상 기계력 도입장치 분야의 제품을 개발·공급하고 있는 프랑스 회사입니다. 앞서 소개한 테스트 벤치용 감속·터보 변속기 구축은 BCSA의 핵심 사업 중 하나입니다.

  • BCSA의 기계력 도입장치는 테스트 벤치 어플리케이션 이외에도 석유・가스 부문, 시멘트 공장, 제철 및 제지산업에서 많이 사용됩니다.
  • BCSA는 어플리케이션별로 정확한 고객 요구사항을 충족하기 위한 맞춤형 시스템을 설계, 개발, 공급하고 있으며 시스템의 용도는 완전히 새로운 어플리케이션용이거나 대부분은 노후 시스템 교체용입니다. BCSA는 복원성이 뛰어난 고성능 제품으로 정평이 나 있습니다.
  • 최근에는 고속 회전 어플리케이션(30,000rpm 이상, 현재 최대 125,000rpm까지)용 시스템 개발에 주력하고 있습니다.
  • BCSA는 자사 시스템의 설치, 시운전과 관련하여 서비스 및 유지보수 서비스도 제공합니다.
  • 더불어 BCSA는 프랑스 FLSmidt Maag Gear사를 비롯하여 북아프리카 여러 국가에 대리점을 두고 있으며, 매출의 80% 이상이 아시아(중국), 유럽(독일, 오스트리아, 영국, 이탈리아), 마그레브 국가, 동유럽(러시아), 브라질 등을 대상으로 한 수출에서 나옵니다.

기술적 어려움 극복

BCSA는 설치 면적을 적게 차지하면서 혹독한 주변 환경에 적응할 수 있는 고성능 정밀 토크 센서를 찾고 있었습니다. BCSA의 관심은 계측 샤프트(shaft)에 비해 설치가 훨씬 쉬우면서도 최소한의 면적만 있으면 되는 계측 플랜지에 집중되었습니다. HBM은 이 분야에서 다양한 제품을 공급하고 있으며 BCSA가 도움을 요청한 것도 바로 그런 이유 때문입니다.

HBM의 스트레인 게이지(strain gauge) 기술은 요구사항(정확도 0.05%면 충분)을 완벽히 충족시키므로 정밀도는 문제가 되지 않았습니다. HBM 토크 센서의 측정범위 45,000rpm 또한 고객의 회전 속도 요구사항을 충족합니다.

이제 주변 환경이라는 단 한 가지 난관이 남았습니다. BCSA가 개발한 변속기 시스템은 유냉식이기 때문에 환경 조건을 고려해야 했습니다. 게다가 온도라는 난관까지 있었습니다.

따라서 가장 큰 어려움은 센서를 작동온도범위 이내에서 유지하는 문제일 것입니다.

관련 연구와 시험 결과에 따르면 BCSA가 개발한 기술 솔루션에서 필요한 센서 온도는 75°C 이하였습니다.

BCSA를 위해 개발된 맞춤형 센서는 HBM의 제품 포트폴리오에 포함될 것입니다.

"BCSA용 센서 개발은 획기적인 기술 발전입니다.”

“금번 개발을 통해 시장에서 경쟁 우위를 점하게 되었으며, 계속해서 한 걸음 더 앞서 나가기 위해 우리는 기술혁신에 충분한 시간을 투자할 것입니다"라고 니콜라스 디 폴(Nicolas Di Pol)은 설명합니다.

 

 

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