Fig. 1과 같이 자기 베어링 자극 사이의 공간에 설치가 가능한 동위 와전류 변위 센서를 설계 제작하였다. 적절한 측정 범위를 확보하기 위해 센서의 폭은 12 mm이 필요하며, 이에 따라 자기 베어링의 자극 사이의 간격을 12 mm로 설계하였다. 코일 외경 최대화, 최소 코일 폭과 간격 0.1-0.15 mm, 구동 주파수 설정용 정전용량 범위 300 pF-2 nF, 내경/외경 비율은 0.3 이상 등의 PCB 와전류 변위 센서의 권장 설계 지침에 따라 Texas Instruments (TI)의 센서 설계 및 해석 프로그램을 이용해 와전류 변위 센서를 설계하였다.^7,8 좁은 공간에서 민감도를 높이기 위해 원형 코일을 4층으로 구성하였고, 4층의 코일을 병렬과 직렬 교차로 연결하여 전체 저항을 줄였다. 자기 베어링에서 발생하는 자기장의 영향을 최소화하기 위에 센서 앞 뒷면에 잡음 차폐를 위한 도체면을 추가하였고, 센서 뒷면에는 와전류 생성과 전자석의 자기 간섭(Electromagnetic Inference, EMI)을 줄이기 위해 얇은 도체 선을 추가하고 페라이트(Ferrite) 판을 부착하였다. 설계된 변위센서 사양을 Table 1에 나타냈다.

Fig. 1 
The proposed PCB eddy-current sensor

Fig. 2와 같이 센서 앰프는 하나의 8극 반경 방향 자기 베어링에 사용할 수 있도록 4개의 채널로 구성하였고, 와전류 센서 코일의 인덕턴스를 검출하기 위해 TI에서 출시한 LDC11을 사용하였다.⁹ LDC1101의 고해상도 인덕턴스(High-Resolution L) 측정 모드를 사용하였으며, 센서 신호가 준비되었을 경우 인터럽트(Interrupt) 신호를 생성하여 자기 베어링 제어기와 동기화하였다. 변위 센서와 자기 베어링 제어기 사이는 LDC1101에서 제공하는 SPI 통신을 이용하였다. 센서는 4 MHz로 구동되며 최대 10 kHz의 주기로 제어기와 동기화할 수 있다. 센서 증폭기의 사양을 Table 2에 정리하였다.

Fig. 2 
The sensor amplifier

0.4-1.5 mm의 범위 내에서 PCB와 전류 센서의 교정하였고, 그 결과를 Fig. 6(a)에 나타냈다. 또한, 사용 범위에서 센서의 잡음은 약 ±1 μm이며 그 결과를 Fig. 6(b)에 나타냈다.

Fig. 6 
The sensor calibration and noise

동일한 조건에서 제어 성능 시험을 수행하기 위해 상용 갭 센서로 부상 후 모든 센서의 오프셋과 이득을 Fig. 7과 같이 일치시켰다.

Fig. 7 
The calibration results of all sensors

전자석 자기장의 영향을 살펴보기 위해 균형 빔과 전자석 사이에 비자성 물체로 간극을 조절하고, 전자석의 전류를 변화시키며 동위 및 비동위 센서의 응답을 측정하였다. Fig. 8(a)와 같이 전자석의 자기장에 비례하여 동위 위치의 센서가 영향을 받는다. 특히 센서의 민감도는 변하지 않으나 센서의 옵셋에 변화가 발생하였다.

Fig. 8 
Effect of the magnetic field on the collocated sensor

Figs. 9와 같이 센서 대상체 면에 알루미늄 테이프를 부착하고, 센서 민감도를 동일하게 설정한 후 실험을 수행하여 8(b)에 나타냈다. 알루미늄 테이프의 높은 전기 전도도 때문에 센서의 변위 민감도가 상대적으로 증가하여 자기장에 의한 센서값 변화가 66% 감소하였다. 일반 자기 베어링과 같이 절연된 겹판을 사용하면 와전류 생성이 줄어들어 자기장의 영향을 더욱 줄일 수 있을 것이다.

Fig. 9 
Aluminum tape on the sensor target

개발된 센서의 제어 성능을 확인하기 위하여 ISO14839-3의 규정에 따라 1자유도 자기부상 시스템의 폐루프 민감도 함수를 측정하였다.¹¹ 부상 후 변위 신호에 10 μm 크기의 정현파를 0.5-140 Hz까지 0.5 Hz의 간격으로 2초간 주입하고 변위 응답을 측정하였다. 비례 제어 이득의 영향을 확인하기 위하여 비례 이득을 각각 800, 1,300, 1,800로 변화시키며 실험을 수행하였다.

우선 센서 대상체가 철인 균형보를 부상시키고, 민감도 함수를 측정하여 그 결과를 Fig. 10에 나타냈다. 비동위 위치에 설치된 PCB 센서는 상용 갭 센서와 동일한 성능을 가진다. 하지만 동위 센서는 자기장의 영향으로 비례 이득 증가에 따라 고유 진동수가 증가하지 않았다.

Fig. 10 
Measured closed-loop sensitivity functions with various sensors and the steel target (Unit: A/m)

센서 대상체 면에 알루미늄 테이프를 부착한 균형보를 부상시키고, 민감도 함수를 측정하여 Fig. 11에 나타냈다. 센서 대상체가 철인 경우와 같이 비동위 위치의 센서는 상용 갭 센서와 동일한 성능을 가진다. 또한 동위 PCB 와전류 센서도 비례 이득 증가에 따라 고유진동수가 증가했으며 공진 주파수에서 우수한 진동 제어 성능을 보였다. 비동위의 상용 갭 및 PCB 센서 대비 공진에서 진동 제어 성능이 최대 2배 향상되었고, 130 Hz 굽힘 모드에서도 제어 성능이 35% 향상되었다.

Fig. 11 
Measured closed-loop sensitivity functions with various sensors and the Al taped target (Unit: A/m)

개발된 동위 PCB와 전류 변위 센서를 적용한 반경 방향 자기 베어링 모듈을 Fig. 12에 나타냈다. 기존 자기 베어링 회전설비에 많이 사용하고 있는 인덕티브 센서 대비 제조 원가의 15%와 축 방향 길이를 15 mm 이상 줄일 수 있었다.

Fig. 12 
A radial magnetic bearing module with the proposed collocated PCB eddy current sensor