KR20220170148A - 감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법 - Google Patents

감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법 Download PDF

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KR20220170148A
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Abstract

본 발명은 전기모터부만 동작시킨 상태에서 수행되는 제1 무부하 가속시험 및 전기모터부와 감속기를 동작시킨 상태에서 수행되는 제2 무부하 가속시험을 통하여 획득된 회전자의 속도, 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)를 이용하여 감속기의 효율을 산출하는 감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법을 제공한다.

Description

감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법{An Efficiency evaluation system and method of reducer}
본 발명은 감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컴팩트한 구조의 저가형 장비로도 별도의 지그 및 기계적인 부하 없이 다양한 형태, 다양한 출력의 감속기에 대한 효율을 평가할 수 있는 감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법에 관한 것이다.
기계 시스템에서 널리 사용되고 있는 감속기는 효율에 따라 시스템의 효율에 직접적인 영향을 미치므로 감속기의 손실에 대한 관리가 중요하다.
특히, 에너지 저감을 위한 고효율 시스템 개발을 위해서는 감속기 손실/효율 평가 필수적이다.
이러한 감속기의 손실 평가를 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 동력계를 이용하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기한 종래기술은 복잡한 구조로 인해 다양한 형태, 용량의 발전기를 평가하기에 한계가 있었다.
구체적으로 상기한 종래기술은 커플링을 얼라인하는데 문제가 있을 뿐만 아니라 다양한 형태의 감속기의 대응이 곤란(입력축과 출력축이 일치, 평행, 수직 등)한 문제점이 있었다.
또한, 상기한 종래기술은 감속기의 용량에 맞춰 감속기의 입출력 토크에 따른 토크 센서 용량, 기계적 부하, 구동 모터 용량 등의 변경이 필요하고, 이로 인해 복잡한 구성 및 고가의 토크 센서, 배드 등을 사용해야 하는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기모터부만 동작시킨 상태에서 수행되는 제1 무부하 가속시험 및 전기모터부와 감속기를 동작시킨 상태에서 수행되는 제2 무부하 가속시험을 통하여 획득된 회전자의 속도, 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)를 이용하여 감속기의 효율을 산출하는 감속기의 효율 평가 시스템 및 효율 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 인가되는 전원에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 전기모터부, 상기 회전자의 속도를 감속시키는 감속기 및 상기 전기모터부와 상기 감속기를 연결시키는 샤프트부를 포함하는 동력부; 상기 동력부로 인가되는 상기 전원을 발생시키는 파워서플라이; 상기 샤프트부 상에 설치되어 상기 회전자의 속도를 측정하는 속도 센서; 상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 회전자의 속도를 수신하고 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하는 DAQ부; 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 회전자의 속도를 이용하여 상기 회전자의 각가속도를 연산하고 상기 회전자의 각가속도, 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 가속 운전 구간에서 상기 회전자의 토크, 상기 감속기의 손실토크 및 상기 감속기의 효율을 연산하는 연산부; 및 상기 전기모터부를 제어하여 상기 전기모터부에 대한 제1 무부하 가속시험을 진행시키고, 상기 전기모터부 및 상기 감속기를 동시에 제어하여 상기 전기모터부 및 상기 감속기에 대한 제2 무부하 가속시험을 진행시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 동력부는, 상기 전기모터부 및 파워서플라이와 전기적으로 연결되고 상기 파워서플라이로부터 공급되는 상기 전원이 인가되어 상기 전기모터부를 동작시키는 드라이버부; 및 상기 감속기와 상기 속도 센서 사이에 위치하고 상기 샤프트부 상에 설치되는 커플링부;를 더 포함하고, 상기 전기모터부는 상기 드라이버부에 의해 상기 회전자가 회전함에 따라 상기 샤프트부를 회전시키고, 상기 감속기는 상기 샤프트부와 연결된 상기 회전자의 속도를 감속시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 DAQ부가 상기 회전자의 관성(Jm)을 추출한 후 상기 제어부에 의해 상기 전기모터부만 동작하여 상기 제1 무부하 가속시험이 진행되면, 상기 속도 센서는 상기 감속기에 의해 감속된 제1 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하고, 상기 DAQ부는 상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 제1 속도를 수신하고 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하며, 상기 연산부는 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 상기 회전자의 제1 각가속도를 연산하고, 상기 제1 각가속도 및 상기 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 상기 회전자에 작용된 제1 토크를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연산부는,
Figure pat00001
(T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)에 의해 연산된 상기 제1 토크를 산정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부에 의해 상기 전기모터부 및 상기 감속기가 동작하여 상기 제2 무부하 가속시험이 진행되면, 상기 속도 센서는 상기 감속기에 의해 감속된 제2 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하고, 상기 DAQ부는 상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 제2 속도를 수신하고 상기 연산부로 상기 제2 속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 전송하며, 상기 연산부는 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 상기 회전자의 제2 각가속도를 연산하고, 상기 제2 각가속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 상기 회전자와 상기 감속기에 작용된 제2 토크를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연산부는,
Figure pat00002
(T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)에 의해 연산된 상기 제2 토크를 산정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연산부는,
Figure pat00003
(Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 손실토크를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연산부는,
Figure pat00004
(N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 속도(Nout)를 연산하고,
Figure pat00005
(T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산하며,
Figure pat00006
(%)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 효율(E)을 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 (a) 제어부가 전기모터부만 동작시켜 전기모터부에 대한 제1 무부하 가속시험하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 전기모터부 및 감속기를 동작시켜 상기 전기모터부 및 상기 감속기에 대한 제2 무부하 가속시험하는 단계; (c) 연산부가 상기 제1, 2 무부하 가속시험을 통해 획득된 제1 토크 및 제2 토크를 기반으로 상기 감속기의 손실토크를 산정하는 단계; 및 (d) 상기 연산부가 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 기반으로 상기 감속기의 효율을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, DAQ부가 상기 전기모터부에 포함된 회전자의 관성(Jm)을 측정하는 단계;를 더 포함하고, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 제어부가 드라이버부로 전원이 인가되도록 파워서플라이를 제어하는 단계; (a2) 상기 전기모터부가 상기 드라이버부에 의해 샤프트부를 회전시키는 단계; (a3) 상기 속도 센서가 상기 회전자의 제1 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하는 단계; (a4) 상기 연산부가 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제1 속도를 이용하여 상기 회전자의 제1 각가속도를 연산하는 단계; 및 (a5) 상기 연산부가 상기 제1 각가속도 및 상기 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 상기 회전자의 제1 토크를 산정하는 단계;를 포함하고, 상기 (a5) 단계에서, 상기 연산부는, T1=Jmⅹdw/dt(T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)에 의해 연산된 상기 제1 토크를 산정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는, (a6) 상기 DAQ부가 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 제어부가 드라이버부 및 상기 감속기로 전원이 인가되도록 파워서플라이를 제어하는 단계; (b2) 상기 전기모터부가 상기 드라이버부에 의해 샤프트부를 회전시키는 단계; (b3) 상기 감속기가 상기 회전자의 속도를 제2 속도로 감속시키는 단계; (a3) 상기 속도 센서가 상기 제2 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하는 단계; (a4) 상기 연산부가 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제2 속도를 이용하여 상기 회전자의 제2 각가속도를 연산하는 단계; 및 (a5) 상기 연산부가 상기 제2 각가속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 상기 회전자의 제2 토크를 산정하는 단계;를 포함하고, 상기 (b5) 단계에서, 상기 연산부는, T2=(Jm+Jg)ⅹdw/dt(T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)에 의해 연산된 상기 제2 토크를 산정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 상기 연산부는, Tgl=T1-T2(Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 손실토크를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 연산부가 Nout=N/G(N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 속도(Nout)를 연산하는 단계; (d2) 상기 연산부가 Tout=T2
Figure pat00007
G(T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산하는 단계; 및 (d3) E= (Nout
Figure pat00008
Tout)/(N
Figure pat00009
T1)
Figure pat00010
100의 수식을 이용하여 상기 감속기의 효율(E)을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 전기모터부만 동작시킨 상태에서 수행되는 제1 무부하 가속시험 및 전기모터부와 감속기를 동작시킨 상태에서 수행되는 제2 무부하 가속시험을 통하여 획득된 회전자의 속도, 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)를 이용하여 감속기의 효율을 산출함으로써 컴팩트한 구조의 저가형 장비로도 별도의 지그 및 기계적인 부하 없이 다양한 형태, 다양한 출력의 감속기에 대한 효율을 평가할 수 있고, 커플링의 얼라인에 필요한 시간을 저감하여 시험을 빠르게 진행시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 동력계와 토크 센서를 이용한 감속기의 효율을 평가하는 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법의 세부단계를 나타낸 순서도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 전기모터부만 동작하는 하는 것을 나타낸 블록도이다.
도 5의 (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 제1 무부하 가속시험을 통해 획득되는 제1 각가속도 및 회전자의 제1 토크를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 전기모터부와 감속기가 동작하는 하는 것을 나타낸 블록도이다.
도 6의 (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 제2 무부하 가속시험을 통해 획득되는 제2 각가속도 및 회전자의 제2 토크를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에 의해 획득되는 감속기의 손실토크를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
1. 감속기의 효율 평가 시스템(700)
이하, 도 2 를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 시스템을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 시스템을 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 시스템(700)은 동력부(100), 파워서플라이(200), 속도 센서(300), DAQ부(400), 연산부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
동력부(100)는 드라이버부(110), 전기모터부(120), 감속기(130), 샤프트부(140) 및 커플링부(150)를 포함한다.
드라이버부(110)는 전기모터부(120) 및 파워서플라이(200)와 전기적으로 연결되고 파워서플라이(200)로부터 공급되는 전원이 인가되어 전기모터부(120)를 동작시킨다.
구체적으로 드라이버부(110)는 전기모터부(120)의 회전속도, 방향 등을 제어할 수 있으며, 제어부(150)로부터 전송되는 제어신호에 따라 전기모터부(120)의 동작을 제어한다.
전기모터부(120)는 인가되는 전원에 의해 회전하는 회전자를 포함한다.
전기모터부(120)는 제어부(150)로부터 전송되는 제어신호에 따라 동작하는 드라이버부(110)에 의해 제어된다.
구체적으로 전기모터부(120)를 동작시키기 위한 제어신호가 제어부(150)로부터 드라이버부(110)로 전송되면, 전기모터부(120)는 드라이버부(110)에 의해 회전자가 회전함에 따라 샤프트부(130)를 회전시킨다.
상기한 전기모터부(120)는 드라이버부(110)와 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다.
샤프트부(130)는 드라이버부(110), 전기모터부(120) 및 감속기(140)와 평행하도록 배치되고, 전기모터부(120)와 감속기(140)를 연결시킨다.
구체적으로 샤프트부(130)의 일측은 전기모터부(120)에 포함된 회전자와 연결되고, 샤프트부(130)의 타측부는 감속기(140)의 내부로 삽입된다.
상기한 샤프트부(130)는 제어부(150)의 제어에 따라 동작하는 드라이버부(110)에 의해 전기모터부(120)가 회전하면, 전기모터부(120)에 포함된 회전자를 따라 회전한다.
감속기(140)는 회전자의 속도를 감속시킨다.
구체적으로 감속기(140)는 드라이버부(110) 및 전기모터부(120)와 평행하도록 배치되고 샤프트부(130) 상에 설치된다. 이때, 샤프트부(130)의 타측부는 변속을 위하여 감속기(140)의 내부에 형성되는 서로 다른 크기를 가지는 다수의 기어 중 하나에 삽입된다.
상기한 감속기(140)는 제어부(150)의 제어에 의해 동작하여 샤프트부(130)와 연결된 회전자의 속도를 감속시킨다.
커플링부(150)는 감속기(140)와 속도 센서(300) 사이에 위치하고 샤프트부(130) 상에 설치된다.
파워서플라이(200)는 동력부(100)로 인가되는 전원을 발생시킨다.
구체적으로 파워서플라이(200)는 전원을 발생시켜 드라이버부(110)로 공급한다.
속도 센서(300)는 샤프트부(130) 상에 설치되어 회전자의 속도를 측정하고, 측정된 회전자의 속도를 DAQ부(400)로 전송한다.
또한, 속도 센서(300)는 전기모터부(120)와 커플링부(150) 사이에 위치한다.
DAQ부(400)는 속도 센서(300)로부터 전송되는 회전자의 속도를 수신하고 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 입력축으로부터 감속기(140)의 관성(Jg)을 측정한다.
상기한 DAQ부(400)는 회전자의 속도, 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 관성(Jg)을 연산부(500)로 전송한다.
연산부(500)는 DAQ부(400)로부터 전송되는 회전자의 속도를 이용하여 회전자의 각가속도를 연산하고 회전자의 각가속도, DAQ부(400)로부터 전송되는 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 관성(Jg)을 이용하여 가속 운전 구간에서 회전자의 토크, 감속기(140)의 손실토크 및 감속기(140)의 효율을 연산한다.
제어부(600)는 전기모터부(120)만 제어하여 전기모터부(120)에 대한 제1 무부하 가속시험을 진행시키고, 전기모터부(120) 및 감속기(140)를 제어하여 전기모터부(120) 및 감속기(140)에 대한 제2 무부하 가속시험을 진행시킨다.
구체적으로 제어부(600)는 드라이버부(110)로 제어신호를 전송하여 드라이버부(110)가 전기모터부(120)의 동작을 제어하도록 한다.
또한, 제어부(600)는 감속기(140)로 제어신호를 전송하여 감속기(140)의 동작을 제어한다.
상기한 바에 따른 본 발명은 제1 무부하 가속시험 및 제2 무부하 가속시험을 진행한다.
우선, DAQ부(400)가 회전자의 관성(Jm)을 추출한 후 제어부(150)에 의해 전기모터부(120)만 동작하여 제1 무부하 가속시험이 진행되면, 속도 센서(300)는 감속기(140)에 의해 감속된 회전자의 각속도인 제1 속도(=w, 회전자에 의해 샤프트부가 회전)를 측정하여 DAQ부(400)로 전송한다.
다음, DAQ부(400)는 속도 센서(300)로부터 전송되는 제1 속도(w)를 수신한 후 연산부(500)로 회전자의 제1 속도 및 회전자의 관성(Jm)을 전송한다.
다음, 연산부는 DAQ부(400)로부터 전송되는 회전자의 제1 속도(w)를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도를 연산하고, 제1 각가속도(dw/dt) 및 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 회전자에 작용된 제1 토크를 연산한다.
구체적으로 상기 연산부는 하기의 [수학식 1]을 이용하여 제1 토크를 연산하여 산정한다.
Figure pat00011
(T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도(w)를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)
여기서, 제1 토크(T1)는 전기모터부(120)에서 발생한 전자기적 토크(Electromagnetic torque)에서 손실 토크가 제외된 나머지 성분이 회전자를 가속한 힘이다.
다음, DAQ부(400)는 제1 무부하 가속시험이 완료되면, 감속기(140)의 입력축으로부터 감속기(140)의 관성(Jg)을 측정하여 연산부(500)로 전송한다.
한편, 제어부(150)에 의해 전기모터부(120) 및 감속기(140)가 동작하여 제2 무부하 가속시험이 진행되면, 속도 센서(300)는 감속기(140)에 의해 감속된 회전자의 각속도인 제2 속도(=w, 회전자에 의해 샤프트부가 회전)를 측정하여 DAQ부(400)로 전송한다. 여기서, 제1 속도와 제2 속도는 같고, 제1 각가속도 와 제2 각가속도는 같다.
다음, DAQ부(400)는 속도 센서(300)로부터 전송되는 회전자의 제2 속도(w)를 수신하고 연산부(500)로 회전자의 제2 속도(w), 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 관성(Jg)을 전송한다.
다음, 연산부(500)는 DAQ부(400)로부터 전송되는 제2 속도(w)를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도를 연산하고, 제2 각가속도(dw/dt), 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 관성(Jg)을 이용하여 회전자와 감속기(140)에 작용된 제2 토크(T2)를 연산한다.
구체적으로 상기 연산부는 하기의 [수학식 2]를 이용하여 제2 토크를 연산하여 산정한다.
Figure pat00012
(T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)
다음, 연산부(500)는 하기의 [수학식 3]을 이용하여 감속기의 손실토크(Tgl)을 연산한다.
Figure pat00013
(Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)
다음, 연산부(500)는 하기의 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 이용하여 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산한다.
Figure pat00014
(N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)
Figure pat00015
(T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)
위와 같이 연산된 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)는 감속기의 효율(E)을 연산하는데 사용된다.
다음, 연산부(500)는 상기한 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 의해 연산된 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)를 하기의 [수학식 6]에 적용하여 감속기의 효율(E)을 연산한다.
Figure pat00016
2. 감속기의 효율 평가 방법
이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법은 (a) 제어부(150)가 전기모터부(120)만 동작시켜 전기모터부(120)에 대한 제1 무부하 가속시험하는 단계(S100), (b) 제어부(150)가 전기모터부(120) 및 감속기(140)를 동작시켜 전기모터부(120) 및 감속기(140)에 대한 제2 무부하 가속시험하는 단계(S200), (c) 연산부(500)가 제1, 2 무부하 가속시험을 통해 획득된 제1 토크 및 제2 토크를 기반으로 감속기(140)의 손실토크를 산정하는 단계(S300) 및 (d) 연산부(500)가 제1 토크 및 제2 토크를 기반으로 감속기(140)의 효율을 연산하는 단계(S400)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법의 세부단계를 나타낸 순서도이다. 도 5의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 전기모터부만 동작하는 하는 것을 나타낸 블록도이다. 도 5의 (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 제1 무부하 가속시험을 통해 획득되는 제1 각가속도 및 회전자의 제1 토크를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 상기 (a) 단계 이전에, DAQ부(400)가 전기모터부(120)에 포함된 회전자의 관성(Jm)을 측정하는 단계를 더 포함한다.
다음, 도 4, 도 5의 (a), (b), (c)를 참조하면, 상기 (a) 단계는, 제1 무부하 가속시험이 진행되는 단계로서, (a1) 제어부(150)가 드라이버부(110)로 전원이 인가되도록 파워서플라이(200)를 제어하는 단계, (a2) 전기모터부(120)가 드라이버부(110)에 의해 샤프트부(130)를 회전시키는 단계, (a3) 속도 센서(300)가 회전자의 제1 속도(w)를 측정하여 DAQ부(400)로 전송하는 단계, (a4) 연산부(500)가 DAQ부(400)로부터 전송되는 회전자의 제1 속도(w)를 이용하여 회전자의 제1 각가속도(dw/dt)를 연산하는 단계 및 (a5) 연산부(500)가 제1 각가속도(dw/dt) 및 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 회전자의 제1 토크(T1)를 산정하는 단계를 포함한다.
상기 (a2) 단계에서는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 제어부(150)의 제어에 의해 전기모터부(120)만 동작한다.
또한, 상기 (a4) 단계에서는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 연산부(500)가 회전자의 제1 속도(w)를 미분하여 회전자의 제1 각가속도(dw/dt)를 연산한다.
구체적으로 도 5의 (b)를 참조하면, 회전자가 정지(0)해 있던 순간부터 t1까지는 회전자의 가속 구간이고, t1 이후로는 정속 운전 구간에 해당한다.
다음, 상기 (a5) 단계에서, 연산부(500)는 하기의 [수학식 7]을 이용하여 제1 토크(T1)를 연산하여 산정하며, 이와 관련된 내용이 도 5의 (c)에 도시되어 있다.
Figure pat00017
(T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)
상기한 [수학식 1]과 [수학식 7]은 동일한 수식이다.
상기 (a) 단계는, 상기한 바와 같이 제1 무부하 가속시험이 완료되면, (a6) DAQ부(500)가 감속기(140)의 입력축으로부터 감속기(140)의 관성(Jg)을 측정하는 단계를 더 포함한다.
상기 (a6) 단계에서, DAQ부(500)는 연산부(500)로 측정된 감속기(140)의 관성(Jg)을 전송하여 제2 무부하 가속시험을 준비한다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 전기모터부와 감속기가 동작하는 하는 것을 나타낸 블록도이다. 도 6의 (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에서 제2 무부하 가속시험을 통해 획득되는 제2 각가속도 및 회전자의 제2 토크를 나타낸 그래프이다.
다음, 도 4, 도 6의 (a), (b), (c)를 참조하면, 상기 (b) 단계는, 제2 무부하 가속시험이 진행되는 단계로서, (b1) 제어부(150)가 드라이버부(110) 및 감속기(140)로 전원이 인가되도록 파워서플라이(200)를 제어하는 단계, (b2) 전기모터부(120)가 드라이버부(110)에 의해 샤프트부를 회전시키는 단계, (b3) 감속기(140)가 회전자의 속도를 제2 속도(w)로 감속시키는 단계, (a3) 속도 센서(300)가 제2 속도(w)를 측정하여 DAQ부(400)로 전송하는 단계, (a4) 연산부(500)가 DAQ부(400)로부터 전송되는 제2 속도(w)를 이용하여 회전자의 제2 각가속도(dw/dt)를 연산하는 단계 및 (a5) 연산부(500)가 제2 각가속도(dw/dt), 회전자의 관성(Jm) 및 감속기(140)의 관성(Jg)을 이용하여 회전자의 제2 토크(T2)를 산정하는 단계를 포함한다.
상기 (b2) 단계 및 상기 (b3) 단계에서는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 제어부(150)의 제어에 의해 전기모터부(120) 및 감속기(140)가 동작한다.
다음, 상기 (b4) 단계에서는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 연산부(500)가 회전자의 제2 속도(w)를 미분하여 회전자의 제2 각가속도(dw/dt)를 연산한다.
구체적으로 도 6의 (b)를 참조하면, 회전자가 정지(0)해 있던 순간부터 t1까지는 회전자의 가속 구간이고, t1 이후로는 정속 운전 구간에 해당한다.
다음, 상기 (b5) 단계에서, 연산부(500)는 하기의 [수학식 8]을 이용하여 제2 토크(T2)를 연산하여 산정하며, 이와 관련된 내용이 도 6의 (c)에 도시되어 있다.
Figure pat00018
(T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)
상기한 [수학식 2]과 [수학식 8]은 동일한 수식이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 감속기의 효율 평가 방법에 의해 획득되는 감속기의 손실토크를 나타낸 그래프이다.
다음, 상기 (c) 단계에서, 연산부(500)는 하기의 [수학식 9]을 이용하여 감속기의 손실토크(Tgl)를 연산하며, 이와 관련된 내용이 도 7에 도시되어 있다.
Figure pat00019
(Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)
상기한 [수학식 3]과 [수학식 9]는 동일한 수식이다.
다음, 상기 (d) 단계는, (d1) 연산부(500)가 Nout=N/G(N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 감속기(140)의 최종단 속도(Nout)를 연산하는 단계, (d2) 연산부(500)가 Tout=T2
Figure pat00020
G(T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 감속기(140)의 최종단 토크(Tout)를 연산하는 단계 및 (d3) E= (Nout
Figure pat00021
Tout)/(N
Figure pat00022
T1)
Figure pat00023
100의 수식을 이용하여 감속기(140)의 효율(E)을 연산하는 단계를 포함한다.
구체적으로 상기 (d1) 단계 및 상기 (d2) 단계에서, 연산부(500)는 하기의 [수학식 10] 및 [수학식 11]을 이용하여 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산한다.
Figure pat00024
(N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)
Figure pat00025
(T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)
상기한 [수학식 4]와 [수학식 10]은 동일한 수식이고, [수학식 5]과 [수학식 11]은 동일한 수식이다.
위와 같이 연산된 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)는 감속기의 효율(E)을 연산하는데 사용된다.
다음, 상기 (d3) 단계에서, 연산부(500)는 상기한 [수학식 10] 및 [수학식 11]에 의해 연산된 감속기의 최종단 속도(Nout) 및 감속기의 최종단 토크(Tout)를 하기의 [수학식 12]에 적용하여 감속기의 효율(E)을 연산한다.
Figure pat00026
상기한 [수학식 6]과 [수학식 12]는 동일한 수식이다.
상기한 바에 따른 본 발명은 간단하면서도 저가로 시험 시스템을 구성하고 별도의 지그 및 기계적인 부하 없이 다양한 형태, 다양한 출력의 감속기에 대한 효율을 평가할 수 있고, 커플링의 얼라인에 필요한 시간을 저감하여 시험을 빠르게 진행시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 동력부
110: 드라이버부
120: 전기모터부
130: 샤프트부
140: 감속기
150: 커플링부
200: 파워서플라이
300: 속도 센서
400: DAQ부
500: 연산부
600: 제어부
700: 감속기의 효율 평가 시스템

Claims (14)

  1. 인가되는 전원에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 전기모터부, 상기 회전자의 속도를 감속시키는 감속기 및 상기 전기모터부와 상기 감속기를 연결시키는 샤프트부를 포함하는 동력부;
    상기 동력부로 인가되는 상기 전원을 발생시키는 파워서플라이;
    상기 샤프트부 상에 설치되어 상기 회전자의 속도를 측정하는 속도 센서;
    상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 회전자의 속도를 수신하고 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하는 DAQ부;
    상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 회전자의 속도를 이용하여 상기 회전자의 각가속도를 연산하고 상기 회전자의 각가속도, 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 가속 운전 구간에서 상기 회전자의 토크, 상기 감속기의 손실토크 및 상기 감속기의 효율을 연산하는 연산부; 및
    상기 전기모터부를 제어하여 상기 전기모터부에 대한 제1 무부하 가속시험을 진행시키고, 상기 전기모터부 및 상기 감속기를 동시에 제어하여 상기 전기모터부 및 상기 감속기에 대한 제2 무부하 가속시험을 진행시키는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 동력부는,
    상기 전기모터부 및 파워서플라이와 전기적으로 연결되고 상기 파워서플라이로부터 공급되는 상기 전원이 인가되어 상기 전기모터부를 동작시키는 드라이버부; 및
    상기 감속기와 상기 속도 센서 사이에 위치하고 상기 샤프트부 상에 설치되는 커플링부;를 더 포함하고,
    상기 전기모터부는 상기 드라이버부에 의해 상기 회전자가 회전함에 따라 상기 샤프트부를 회전시키고,
    상기 감속기는 상기 샤프트부와 연결된 상기 회전자의 속도를 감속시키는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 DAQ부가 상기 회전자의 관성(Jm)을 추출한 후 상기 제어부에 의해 상기 전기모터부만 동작하여 상기 제1 무부하 가속시험이 진행되면,
    상기 속도 센서는 상기 감속기에 의해 감속된 제1 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하고,
    상기 DAQ부는 상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 제1 속도를 수신하고 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하며,
    상기 연산부는 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 상기 회전자의 제1 각가속도를 연산하고, 상기 제1 각가속도 및 상기 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 상기 회전자에 작용된 제1 토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00027

    (T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)에 의해 연산된 상기 제1 토크를 산정하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 상기 전기모터부 및 상기 감속기가 동작하여 상기 제2 무부하 가속시험이 진행되면,
    상기 속도 센서는 상기 감속기에 의해 감속된 제2 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하고,
    상기 DAQ부는 상기 속도 센서로부터 전송되는 상기 제2 속도를 수신하고 상기 연산부로 상기 제2 속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 전송하며,
    상기 연산부는 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 상기 회전자의 제2 각가속도를 연산하고, 상기 제2 각가속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 상기 회전자와 상기 감속기에 작용된 제2 토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00028

    (T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)에 의해 연산된 상기 제2 토크를 산정하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  7. 제4 항 및 제6 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00029

    (Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 손실토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00030
    (N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 속도(Nout)를 연산하고,
    Figure pat00031
    (T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산하며,
    Figure pat00032
    (%)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 효율(E)을 연산하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 시스템.
  9. (a) 제어부가 전기모터부만 동작시켜 전기모터부에 대한 제1 무부하 가속시험하는 단계;
    (b) 상기 제어부가 상기 전기모터부 및 감속기를 동작시켜 상기 전기모터부 및 상기 감속기에 대한 제2 무부하 가속시험하는 단계;
    (c) 연산부가 상기 제1, 2 무부하 가속시험을 통해 획득된 제1 토크 및 제2 토크를 기반으로 상기 감속기의 손실토크를 산정하는 단계; 및
    (d) 상기 연산부가 상기 제1 토크 및 상기 제2 토크를 기반으로 상기 감속기의 효율을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이전에,
    DAQ부가 상기 전기모터부에 포함된 회전자의 관성(Jm)을 측정하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 제어부가 드라이버부로 전원이 인가되도록 파워서플라이를 제어하는 단계;
    (a2) 상기 전기모터부가 상기 드라이버부에 의해 샤프트부를 회전시키는 단계;
    (a3) 상기 속도 센서가 상기 회전자의 제1 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하는 단계;
    (a4) 상기 연산부가 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제1 속도를 이용하여 상기 회전자의 제1 각가속도를 연산하는 단계; 및
    (a5) 상기 연산부가 상기 제1 각가속도 및 상기 회전자의 관성(Jm)을 이용하여 상기 회전자의 제1 토크를 산정하는 단계;를 포함하고,
    상기 (a5) 단계에서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00033

    (T1=회전자의 제1 토크, Jm=회전자의 관성, dw/dt=회전자의 제1 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제1 각가속도)에 의해 연산된 상기 제1 토크를 산정하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a6) 상기 DAQ부가 상기 감속기의 입력축으로부터 상기 감속기의 관성(Jg)을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 제어부가 드라이버부 및 상기 감속기로 전원이 인가되도록 파워서플라이를 제어하는 단계;
    (b2) 상기 전기모터부가 상기 드라이버부에 의해 샤프트부를 회전시키는 단계;
    (b3) 상기 감속기가 상기 회전자의 속도를 제2 속도로 감속시키는 단계;
    (a3) 상기 속도 센서가 상기 제2 속도를 측정하여 상기 DAQ부로 전송하는 단계;
    (a4) 상기 연산부가 상기 DAQ부로부터 전송되는 상기 제2 속도를 이용하여 상기 회전자의 제2 각가속도를 연산하는 단계; 및
    (a5) 상기 연산부가 상기 제2 각가속도, 상기 회전자의 관성(Jm) 및 상기 감속기의 관성(Jg)을 이용하여 상기 회전자의 제2 토크를 산정하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b5) 단계에서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00034

    (T2=회전자의 제2 토크, Jm=회전자의 관성, Jm=감속기의 관성, dw/dt=회전자의 제2 속도를 시간(t)으로 미분한 회전자의 제2 각가속도)에 의해 연산된 상기 제2 토크를 산정하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 연산부는,
    Figure pat00035

    (Tgl=감속기의 손실토크, T1=회전자의 제1 토크, T2=회전자의 제2 토크)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 손실토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 연산부가
    Figure pat00036
    (N=감속기의 회전수, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 속도(Nout)를 연산하는 단계;
    (d2) 상기 연산부가
    Figure pat00037
    (T2=회전자의 제2 토크, G=감속기의 기어비)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 최종단 토크(Tout)를 연산하는 단계; 및
    (d3)
    Figure pat00038
    (%)의 수식을 이용하여 상기 감속기의 효율(E)을 연산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기의 효율 평가 방법.
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