나날이 발전하는 승강기 기술 - 권상기와 특허

 

 

 

나날이 발전하는 승강기 기술

권상기와 특허

 

 

 

 

 

다양한 승강기 관련 기술 중에도 번뜩이는 아이디어가 돋보이는 기술이 많이 존재한다. 이들은 심사를 통해 특허기술로 등록되기도 하는데 승강기 관련 특허기술에는 어떤 것들이 있는지 알아보고자 한다. 먼저 권상기 편을 살펴보도록 하자.

글 이상훈(동의과학대학교 교수)

 

 

 

 

 

승강기의 역사는 1857년 미국 뉴욕시에 최초의 승객용 엘리베이터가 설치된 이래 145년이 지난 지금까지 이어져 오며 지구상에 약 700만대 가량의 엘리베이터가 설치되어 운행되고 있다. 국내에서는 1910년 지금의 한국은행(구 조선은행) 건물에 화폐운반용으로 미국 오티스社의 제품을 수입하여 설치했던 것이 그 효시이다.

 

 

이후 1966년 동양엘리베이터㈜의 설립과 함께 실질적인 국내생산 활동이 시작됨으로써 국내 엘리베이터 산업은 고도성장을 거듭해왔다. 현대 사회는 건물의 고층화, 대형화에 따라 승강기의 사용이 일상화되면서 엘리베이터는 단순 운송수단 개념을 넘어 교통수단의 일종으로 자리매김하고 있다. 이에 따라 관련 업계의 기술개발도 자동차 못지않은 치열한 경쟁양상을 띄고 있다.

 

 

[그림 1] 1861년 오티스의 엘리베이터 특허도

 

 

 

 

법안 개정의 배경

 

 

 

 

 

최근 온라인을 통해 누구나 손쉽게 특허 검색이 가능해졌다. 새로운 제품을 개발하는 업체들은 이러한 특허 검색 사이트를 통해 개발된 제품의 특허 분쟁을 막고 또한 새로운 제품 아이디어를 보호하기 위해 특허맵(Patent map)을 만들어 분석한다.

 

 

특허정보 검색 서비스인 키프리스(KIPRIS)를 통해 승강기의 최근 20년간의 특허를 분석해 보면 <표 1>과 같다. 최근 승강기의 특허 동향을 살펴보면 1998년 24건(0.4%), 2000년 49건(0.9%), 2002년 64건(1,19%), 2004년 118건(2.1%), 2006년 279건(5.19%), 2011년 499건(9.28%), 2013년 804건(14.9%), 2015년 354건(6.5%)로 해마다 계속해서 증가하는 추세를 나태내고 있다.

 

 

<표 2>는 출원인별로 특허 동향을 나타내고 있다. 가장 많은 특허를 가지고 있는 회사는 미쓰비시社로 834건, 오티스 351건, 도쿄일렉트론 240건, 현대엘리베이터 124건, 코네 62건, LS산전 61건, 포스코 38건, 티센크루프 25건 그 외 회사 및 개인이 304건의 특허를 가지고 있는 것으로 나타났다.

 

 

 

<표 1> 연도별 승강기 특허 건수

 

 

 

승강기 부품 중 권상기와 관련된 특허는 얼마나 될까?

 

 

 

 

 

<표 2> 회사별 승강기 특허 건수

권상기란 사전적 의미로 수평으로 된 원통상의 동체(胴體)를 손잡이로 돌리면서, 동체에 감긴 밧줄이나 쇠사슬의 한 끝에 무거운 물건을 매달아 올렸다 내렸다 하거나 잡아당기는 기계를 통틀어 이르는 말로 주로 ‘윈치’라는 용어로 순화되어 사용되어 왔다. 승강기에서는 엘리베이터 또는 에스컬레이터를 구동하는 장치로서 특히 엘리베이터용 권상기는 안정성을 위해 역구동이 불가능해야 한다.

 

 

또한 엘리베이터의 승차감을 저하시키지 않기 위해 동력전달에 있어 소음, 진동 등을 발생시키지 않는 제작조립이 필요하다. 때문에 이와 관련된 다양한 특허들이 등록되어 있다. <표 3>은 권상기와 관련된 연도별 특허 동향을 나타내고 있다. 1998년 2건(0.36%), 1999년 3건(0.54%), 2003년 8건(1.44%), 2005년 18건(3.25%), 2007년 59건(10.66%), 2010년 47건(8.49%), 2014년 73건(13.20)의 권상기 관련 특허들이 등록되어 있음을 알 수 있다.

 

 

 

최근 승강기의 경우 기계실을 없애기 위해 기어리스 권상기에 대한 관심이 높아지면서 2000년 이후에 들어서서 기어리스 방식의 권상기에 대한 특허가 증가하는 추세를 보이고 있다. <표 4>는 회사별 특허 등록 건 수를 나타내고 있다. 가장 많은 권상기 관련 특허를 가지고 있는 회사는 미쓰비시로 297건, 현대엘리베이터 28건, 오티스 15건, 포스코 10건 LS산전 9건, 금호엘리베이터 7건, 한국승강기안전관리원 3건, 한국승강기안전기술원 3건, 그 외 33건으로 등록되어 있다.

 

 

이 중 한국승강기안전관리원과 한국승강기안전기술원의 경우 승강기 품질 성능 진단이나 권상기의 브레이크 제동력 검증 장치와 같은 검사 및 품질관리와 관련된 특허를 등록하고 있다.

 

 

<표 3> 연도별 승강기 권상기 특허 건수

 

 

 

<표 4> 회사별 승강기 권상기 특허 건수

 

 

 

 

 

 

엘리베이터의 진동 보상장치

 

 

최근 승강기는 사람을 수송하는 교통 수단으로 분류되고 있으므로 승차감 저하를 막기 위해 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 1997년에 등록된 특허에는 엘리베이터에 사용되는 속도제어기에 진동 보상을 위한 제어기를 구성함으로써 승차감을 개선하고자 하였다. 이는 엘리베이터의 진동 보상장치(특1997-0026863)로 이 발명은 엘리베이터의 차체를 알맞은 속도로 운전하도록 기계적인 진동을 저감하는 기술이다.

 

 

진동 보상부에서는 펄스증폭기에서 출력되는 시브속도(Wsheave)와 권상기의 출력토크(Te)를 입력하여 차체의 가속도(aACR)를 연산한 후 여기에 보상이득(Kc)을 곱하여 진동보상이득치를 출력한다. 가산기에서는 주속도 제어부에서 출력되는 전류지령치에서 진동보상부에서 출력되는 진동 보상분을 감산하여 보상된 전류지령치(i*)를 출력함으로써 고속으로 주행하는 엘리베이터에서도 진동에 의해 차체의 승차감이 나빠지는 것을 방지한다.

 

 

 

[그림 2] 진동 보상장치의 원리

 

 

엘리베이터 진동 보상장치는 2007년에 이르러 좀 더 발전된 형태로 특허등록 된다. 2007년 등록된 특허는 엘리베이터 진동저감을 위한 인버터 제어 방법 및 그 장치(등록번호1006957680000)로 엘리베이터의 기계적 진동을 억제하여 보다 승차감을 향상시키는 방안이다. 이는 일정 속도 구간에서 속도 제어기 출력인 토크 전류의 리플(ripple)의 크기를 측정하여 그 측정치가 미리 설계되어 있는 한계치를 초과하는 경우 리플의 크기를 줄이도록 속도 제어기의 이득을 낮춘다. 이를 통해 엘리베이터 카의 진동을 작게 하고 결과적으로 승차감을 개선하게 된다.

 

 

이 특허의 대표 청구항은 다음과 같다.

 

 

<대표 청구항>

벡터 제어 인버터를 통하여 전동기를 제어하고, 이 전동기가 권상기를 구동하여 엘리베이터 카와 카운트 웨이트를 수직이동시키는 구동시스템의 엘리베이터 진동저감을 위한 인버터 제어 방법에 있어서,

(a) 가산기를 통하여 엘리베이터 속도지령(ωr*)과 펄스 엔코드에 의해 검출된 전동기 회전수에 상응하는 실제 엘리베이터 구동속도(ωr)의 오차를 연산하는 단계;

(b) 속도 제어기를 통하여 상기 속도지령과 구동속도의 오차로부터 토크 전류 지령치(iq*)를 연산하는 단계;

(c) 속도 제어기의 출력인 토크 전류의 리플(ripple)의 크기를 측정하고, 측정된 토크 전류의 리플의 크기가 미리 결정된 리플 한계값을 초과하는지 여부를 연산하고, 초과하지 않는 경우 상기 토크 전류 지령치와 자속 전류 지령치(id*)를 전류 제어기로 입력하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서, 토크 전류의 리플의 크기가 상기 리플 한계값을 초과하는 경우, 속도 제어기 게인 조정기를 통하여 속도 제어 게인 값을 조정하여 상기 (b) 단계 및 (c) 단계로 재진입하는 단계; 및

(e) 상기 토크 전류 지령치 및 자속 전류 지령치가 입력된 상기 전류 제어기로, 전동기로 공급되는 3상 전류로 부터 검출되어 3상-2상 변환기를 통해 변환된 2상의 토크 전류(iq)와 자속 전류(id)를 입력하여, 상기 토크 전류 지령치와 토크 전류, 상기 자속 전류 지령치와 자속 전류가 각각 같아지도록 그 차에 비례하는 3상 전압 지령(Va*, Vb*, Vc*)를 출력하는 단계를 포함하는 엘리베이터 진동저감을 위한 인버터 제어 방법.