Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.2 pp.52-57
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.2.052

A Study on the Discrimination of the Overhead Stirrer Impeller using the Dimensions of Permanent Magnets

Ho-Cheol Lee*, Gi-Dae Kim*#
*School of Mechanical and Automotive Engineering, Daegu Catholic Univ.
Corresponding Author : gidkim@cu.ac.kr Tel: +82-53-850-2724, Fax: +82-53-359-6620
08/08/2018 14/09/2018 06/10/2018

Abstract


To develop a stirring device that can automatically measure the viscosity of a fluid, the impeller type of the device must be recognized without making contact. In this study, we propose a method to discriminate the type of impellers using the changes in the magnetic field. Permanent magnets are inserted into a hollow hole of the impellers, and the change of the magnetic field is measured by a hall sensor. All experimental results are compared with the FEM analysis results. The results show that with the increase in diameter and length of the magnet inserted into the impeller, the magnitude of the magnetic flux density increases. The magnetic field is more sensitive to the change in the magnet diameter than to the change in magnet length. In order to reduce the machining costs, however, it is advantageous to change the magnet length instead of the magnet diameter.



영구자석의 형상을 이용한 오버헤드 교반기용 임펠러 종류의 인식에 관한 연구

이 호철*, 김 기대*#
*대구가톨릭대학교 기계자동차공학부

초록


    Catholic University of Daegu

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    교반기(stirrer/agitator)는 화학 실험 및 제조 화학 공업에서 기체, 액체, 고체(입자상)상의 물체를 휘저 어 섞는 기기를 통틀어 지칭하지만, 주로 2가지 이 상의 액체 상태 물질을 신속하고 균일하게 혼합하 는데 사용하는 기기를 말한다. 두 가지 이상의 액 체를 균일하게 섞는 방법으로는 액상에 초음파 발 진자를 넣어 액체 자체를 진동시키거나 액상에 공 기를 불어넣거나 용기 자체를 움직이기도 하지만 주로 임펠러(impeller)를 회전시키거나 모터의 회전 축 끝에 교반 날개를 연결하여 회전시키거나 막대 자석의 교반자(stirring bar)를 용기 바닥에 넣고 자 석으로 교반자를 회전시키는 등 액체를 회전시켜 휘젓는 방법을 사용한다[1]. 특히 고점도 물질을 혼 합하기 위해서는 비교적 큰 토크가 필요하기 때문 에 Fig. 1에 보이는 것과 같이 다양한 형태의 블레 이드를 가진 임펠러를 회전시켜 사용하는 오버헤드 형 교반기를 사용한다[2].

    점도(viscosity)가 다른 두 액상 혼합물을 계속 휘 저어 주면 혼합물의 점도가 점차 변화하며 최종적 으로 혼합물의 점도가 원하는 점도에 도달하면 액 상혼합물을 완성했다고 판단한다. 따라서 교반기로 액상혼합물을 제조할 때는 일반적으로 점도계를 옆 에 두고 교반 중간에 혼합물의 점도를 측정해가면 서 교반을 지속하다가 목표 점도에 도달하면 교반 을 중지한다. 그러나 이와 같은 방법으로 교반 중 간에 점도계를 측정하는 것은 공정의 중단과 더불 어 비효율적인 수작업이 요구된다. 따라서 교반기 로 액상 혼합물을 섞을 때 점도계 센서를 별도로 사용하지 않고 혼합 중인 물질의 점도를 실시간으 로 측정[3]할 수 있다면 교반 공정 효율성이 보장되 며, 또한 완전 자동교반 공정이 가능해진다.

    점도가 같은 유체를 같은 회전속도로 회전을 시 켜도 교반에 사용되는 임펠러의 형상이 달라지면 서로 다른 토크가 요구되므로 교반기 작업 중 액상 혼합물의 점도를 실시간 측정하기 위해서는 임펠러 와 관련된 정보가 필요하다[4]. 실제 교반기를 사용 할 때는 필요에 따라서 Fig. 2에 보인 것과 같은 다 양한 형상을 가진 임펠러가 사용되는데 사용자가 이들 임펠러를 장착하는 순간 자동으로 인식할 수 있는 기능을 구현한다면 실시간으로 점도 측정이 가능한 교반기를 상품으로 개발할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 ‘점도 자동측정 교반기 시스템’을 개발하기 위한 기초 단계로 ‘임펠러 종류의 자동인 식’에 관한 것이며, 교반기 작업을 위해 임펠러를 장착할 때 비접촉 방식으로 자기장의 변화를 측정 하여 임펠러의 종류를 구분하는 기술에 관한 것이 다.

    2. 임펠러 인식 기술

    2.1 임펠러 종류 인식의 필요성

    온도가 일정하다고 가정할 때 임펠러에 걸리는 토크는 식(1)과 같이 임펠러의 회전속도와 임펠러의 형상(종류), 그리고 혼합물 점도의 함수이므로 교반 기에서 혼합물의 점도는 임펠러 토크와 회전속도와 의 관계로부터 알 수 있다[5,6].

    T = f ( ω , μ , α )
    (1)

    여기서 T는 임펠러에 걸리는 토크, ω는 임펠러 의 회전속도, μ는 대상 혼합물의 점성계수(점도), 그리고 α는 임펠러의 형상과 관련된 계수다. 임펠 러 모터의 토크는 모터의 전류에 비례한 값이고, 회전속도는 엔코더 신호로 알 수 있기 때문에, 혼 합물의 점도를 실시간으로 추정하기 위해서는 다양 한 종류의 임펠러의 형상을 실시간으로 인식할 수 있어야 한다.

    2.2 임펠러 자동인식 방안

    실제 교반기 작업 중 임펠러는 수시로 교체되기 때문에 육안으로 임펠러의 종류를 확인할 수 있다 하더라도 수작업으로 입력하지 않고도 임펠러의 종 류를 자동으로 인식하기 위해서는 사용자가 임펠러 를 교반기에 장착하는 순간에 어떤 종류의 임펠러 가 삽입되었는지 파악하는 것이 필요하며 그러기 위해서는 Fig. 3과 같이 비접촉 방식[7]으로 임펠러 의 종류를 인식할 수 있어야 한다. 와전류를 이용 한 고주파 발진형 센서 혹은 LED 혹은 레이저 광 센서를 이용하면 이론적으로는 비접촉 측정이 가능 하지만 Fig. 3에 보인 것과 같이 실제 임펠러가 교 반기 시스템에 장착될 때는 내부 중공축 경로를 따 라 삽입되기 때문에 센서 장착 구조 및 제품설계 측면에서 이 두 가지 방법은 모두 현실적인 방안이 될 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 제약조 건 하에서도 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 방안 으로 영구자석의 자기장을 이용한 임펠러 인식 기 술을 사용하기로 하였다.

    본 연구에서는 기존 임펠러 축에 Fig. 4에서와 같이 축 방향 내부구멍(hollow hole)을 가공한 뒤 여기에 임펠러의 종류에 따라 다른 종류의 영구자 석을 삽입하고, 내부에 자석이 삽입된 임펠러를 교반기 축에 삽입할 때 축 외부에 장착된 홀센서 로 자석의 움직임에 의한 자기장의 변화를 측정하 여 임펠러의 종류를 인식하는 방법을 고안하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 실험 및 해석 방법

    본 연구에서는 영구자석의 형상을 변화시켜 자기 장을 변화시키기로 하고 자석의 직경과 길이를 두 가지 형상 변수로 결정하였다. 형상 변수의 변화에 따라 자기장의 변화를 관찰하였으며, 각각의 형상 변화가 자기장의 변화에 어떠한 영향을 미치고 또 한 전체 시스템 구성에 있어서 어떤 장단점이 있는 지 살펴보았다.

    임펠러에 장착되는 영구자석의 형상의 변화에 따 라 발생하는 자기장 패턴의 변화를 예측하기 위해 서 Fig. 5와 같이 상용 FEM 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용하여 정자기장(magnetostatics) 해 석을 실시하였다. 해석에 사용된 요소는 사면체 요 소 28,242개이며 수렴(convergence) 테스트를 통해서 공기층의 여유 두께를 40mm로 설정하였다. Fig. 5(a)는 공기층을 시각적으로 비활성화한 상태를 보 여주고 있으며, 디스크 형태 영구자석의 직경과 길 이를 변화시켜가면서 해석을 수행하였다. 해석의 정밀도를 높이기 위해서 홀 센서 위치에서 공기의 물성치를 가지는 별도의 직육면체를 추가하였다. 홀 센서는 z방향으로 자기장을 측정하였으며, Fig. 5(b)에 보인 것과 같이 별도로 추가한 직육면체의 z방향 모서리 경로를 따라 절점(node)에서 자속밀도 를 추출하였다.

    FEM 결과를 검증하기 위하여 Fig. 6에서와 같이 임펠러 축과 재료가 같고 치수가 유사한 봉 (cylinder) 형태의 중공축(외경 8mm, 내경 2mm~ 5mm)을 제작하고 그 속에 영구자석을 삽입하였으 며, 사용자가 임펠러를 장착할 때와 같은 효과를 얻기 위해 자동 이송장치에 임펠러를 장착하고 이 를 이동시키면서 홀센서로 자기장의 변화를 측정하 였다. 자동 이송 장치용 스텝모터를 구동하고 홀센 서로부터 아날로그 입력 신호를 채집하는 등 전체 측정 시스템의 제어는 LabVIEW를 이용하였다.[8]

    3.2 실험 및 해석 결과

    첫 번째 실험으로 임펠러 축 내부에 들어가는 영 구자석의 길이를 5mm로 고정하고, 직경을 2mm에 서 5mm까지 변화시켜가면서 축의 움직임에 의한 자기장의 변화를 관찰하였으며, Fig. 7에 실험 결과 와 FEM 해석 결과를 비교하여 나타내었다. 실험 및 해석 결과 임펠러가 장착될 때 자석 중심부가 홀센서를 지나갈 때 가장 큰 자기장이 측정되었는 데 자기장의 크기(magnetic flux density)는 자석의 직경이 증가함에 따라 더욱 크게 증가하였고, 실험 및 해석 결과는 상당히 일치하는 것으로 나타났다.

    두 번째 실험으로 영구자석의 직경을 3mm로 고 정하고 영구자석의 길이를 2mm에서 8mm까지 변화 시켜가면서 자기장의 변화를 관찰하였다. 이를 위 해 직경이 3mm이고 길이가 2mm인 영구자석을 1개 에서 4개까지 증가시켜가면서 반복적인 실험을 하 였다. Fig. 8에서와 같이 FEM 해석결과와 실험결과 모두 자석의 길이가 증가함에 따라 중심부에서의 자기장의 크기가 증가하는 것으로 나타났다.

    Fig. 7과 Fig. 8에서 얻은 결과를 정량적으로 엄밀 하게 비교하고 분석하기 위해 자석의 직경과 길이 가 변화함에 따라 자석의 중심부에서 발생하는 자 기장의 최대 크기의 변화만을 측정하였으며, Fig. 8 에 실험결과 및 FEM 해석결과를 나타내었다. 우선 Fig. 9(a)에서와 같이 자석의 직경이 2mm에서 5mm 로 2.5배 증가함에 따라 자기장의 크기는 약 2mT에 서 약 13mT로 6.5배 정도 증가하는 것으로 나타났 다. 자석 직경이 증가함에 따라 자석의 체적과 자 석 단면을 통과하는 자력선이 제곱항으로 증가하기 때문에 자석 직경이 증가함에 따라 자기장의 크기 가 비선형적으로 증가하는 것으로 판단된다. 이에 반하여 Fig. 9(b)의 결과에서는 자석의 길이가 증가함에 따라 자기장의 크기가 증가하지만 그 증 가폭이 비선형적으로 감소하여, 자석의 길이가 2mm에서 8mm로 4배 증가하였을 때 자기장의 크기 는 약 2mT에서 약 6mT로 3배 정도 증가하는데 그 쳤다. 그 이유는 자석의 길이가 증가함에 따라 자 석의 체적이 선형적으로 증가하여 자력이 증가하는 요인이 있지만, 자석 길이가 증가함에 따라 자석의 퍼미언스(permeance)가 감소하기 때문인 것으로 판 단된다.

    자석 길이가 변화함에 따른 퍼미언스의 영향과 이로 인한 자기장과의 비선형적인 관계를 더욱 엄 밀히 관찰하기 위하여 FEM 해석을 통해 자석(직경 3mm)의 길이를 2mm에서 22mm까지 증가시켜가면 서 자기장의 최대값의 변화를 살펴보았다. 해석결 과 Fig. 10에 나타난 바와 같이 자석이 일정길이 (12mm)가 될 때까지 길이가 증가함에 따라 자력이 비선형적으로 증가하였지만 자석 길이가 그 이상이 되면 자석 체적의 증가 요인 보다 퍼미언스의 감소 요인이 더 크게 작용하여 오히려 최대 자기장의 크 기는 감소하는 것으로 나타났다.

    3.3 실험결과 고찰

    Fig 9의 결과에서 알 수 있듯이 자석의 길이가 변화하는 것에 비해서 자석의 직경이 변화할 때, 자기장 크기의 변화는 훨씬 더 크다는 것을 확인하 였다. 임펠러 내부에 영구자석을 삽입하여 임펠러 를 장착할 때 측정되는 자기장의 변화로 임펠러의 종류를 인식하기 위해서는 자기장의 변화가 크면 클수록 유리하기 때문에 위의 결과는 자석의 길이 를 달리하는 것보다는 직경에 변화를 주는 것이 자 기장의 변화 민감도를 증가시킬 수 있고 결국 더 많은 임펠러 종류를 구분할 수 있다는 것을 말해준 다.

    그러나 임펠러 내에 삽입하는 자석의 직경을 변 화시킨다는 것은 임펠러 종류에 따라 직경이 다른 자석을 구비해야 하고 또한 그에 따라 임펠러 축 내부 구멍의 직경을 모두 다르게 가공해야한다는 것을 의미하기 때문에 가공공정 수가 증가하고, 교 반기 내 소요 부품의 수가 증가하게 되고 이것은 결국 제품의 원가 상승으로 이어진다는 문제가 발 생한다. 이에 반해 자석의 길이를 변화시킨다는 것 은 직경과 길이가 같은 동일한 자석을 구비해놓고 자석의 개수만 달리하면 되고 무엇보다 임펠러 축 내부 구멍을 가공할 때 동일한 직경으로 같은 공정 으로 가공해 놓으면 되기 때문에 자석 직경을 변화 시킬 때에 비해 원가 상승의 문제는 확연히 줄어든 다. 그러나 Fig. 9에서처럼 자석 길이(개수)의 변화 에 따른 자기장 변화의 민감도가 떨어진다는 문제 점은 여전히 존재한다. 따라서 자석의 길이의 변화 에 따른 자기장 변화의 민감도 저하의 문제를 어떻 게 해결할 것인지에 대한 추가 연구가 필요하며 이 는 향후 연구과제에서 수행하고자 한다.

    4. 결 론

    오버헤드형 교반기 내 임펠러의 종류를 자동적으 로 인식하기 위해 임펠러 내부에 축 방향으로 구멍 을 가공한 후에 그 속에 직경과 길이가 다른 자석 을 삽입하고 홀센서로 자기장의 변화를 측정하였 다. 실험 및 FEM 해석결과, 자석의 직경과 길이의 변화에 따라 자기장의 크기 변화가 뚜렷하게 나타 남을 확인하였다.

    자석의 직경을 변화시키면 자석의 길이를 변화시 키는 것에 비해 자기장 변화의 민감도가 증가하지 만, 부품 수가 증가하고 가공 공정수가 증가하여 원가가 상승하는 제약이 있었다. 하지만, 동일한 자 석의 개수를 증가시키는 방법으로 자석의 길이를 변화시키면 이 문제를 해결할 수 있었다. 향후에 자석 길이 변화에 따른 자기장의 변화 민감도가 떨 어지는 문제점을 해결할 수 있는 추가연구를 수행 할 예정이다.

    후 기

    본 논문은 2018년 대구가톨릭대학교 교내연구비 지원을 받아 수행된 것임

    Figure

    KSMPE-18-52_F1.gif
    Appearance of overhead stirrer and impeller
    KSMPE-18-52_F2.gif
    Various types of impellers
    KSMPE-18-52_F3.gif
    Before and after inserting impeller
    KSMPE-18-52_F4.gif
    Magnetic hall sensor and permanent magnet for recognizing impeller type
    KSMPE-18-52_F5.gif
    Finite element model
    KSMPE-18-52_F6.gif
    Experimental set-up
    KSMPE-18-52_F7.gif
    Variation of magnetic field by changing magnet diameter (Experiments vs. FEM simulation)
    KSMPE-18-52_F8.gif
    Variation of magnetic field according to magnet length (Experiments vs. FEM simulation)
    KSMPE-18-52_F9.gif
    Variation of maximum magnetic flux density (Experiments vs. FEM simulation)
    KSMPE-18-52_F10.gif
    Variation of maximum magnetic flux density according to length of magnet (FEM simulation)

    Table

    Reference

    1. Pop, M. N., "A miniaturized stirrer for low viscosity fluids based on a rotating magnetic field generated by solenoids," AIP(American Institute of Physics) Conference Proceedings Series, Vol. 1425, No. 1, pp. 81-84, 2012.
    2. Erhard Eble, "Stirring Device Comprising a Stirring Tool and a Drive Motor," US Patent2014/0112092.
    3. Kanaveli, I. P., Maria Atzemi, M. and Lois, E., "Predicting the viscosity of diesel/biodiesel blends," Fuel, Vol. 199, pp. 248-263, 2017.
    4. Lee, H. C., Kweon. S. B. and Lee, Y. G., "Feasibility Test for Impeller Type Identification using Magnetic Fields in Overhead Stirrers," Proceedings of KSPE 2016 Spring Conference, Vol. 2016, No. 5, pp. 27-28, 2016.
    5. Rabani, A. and Challis, R., "A low-cost viscometer based on a permanent magnet dc motor," Measurement science and technology, Vol. 24, No. 3, 2013.
    6. Sadat, A., Iqbal A. and Khan, I. A., "A novel technique for the measurement of liquidviscosity," Journal of food engineering, Vol. 80, No. 4, pp. 1194-1198, 2007.
    7. Cho, K. C., Kim, S. Y., and Shin, K. Y., "Development of Automated Non-contact Thickness Measurement Machine using a Laser Sensor," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 2,pp. 51-58, 2015.
    8. Song, S. E., Jeong, Y. C., Cho, Y. T. and Jung, Y. G., "Development of Automatic Voltage Control Equipment using LabVIEW Software," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 1, pp. 112-117, 2017.