기고 _ 한국승강기안전기술원 기술혁신본부 이선순 본부장, 서상윤 과장


근래에 초고층 빌딩이 랜드마크로 세계 및 전국 곳곳에 설치되고 있으며, 이에 따라 신속한 시간에 승객을 운송할 수 있는 초고속용 엘리베이터가 속속 개발되어 도입되고 있으나, 운행 속도가 증가함에 따라 진동/소음 문제가 대두되어 이를 저감할 수 있는 기술이 개발 및 적용되고 있다. 본 논문에서는 각 제조업체들이 적용하고 있는 최신 기술에 대해 소음/진동 관점에서 접근해서 소개하고자 한다.

1. 서론
세계적으로 가장 빠른 초고속 엘리베이터 개발품으로는 현대엘리베이터에서 개발한 속도 1,080m/min 제품이며, 실제 설치된 제품은 타이페이 101에 설치된 도시바엘리베이터의 속도 1,010m/min 제품이 설치되어 사용되고 있다. 이러한 초고속용 엘리베이터는 아파트에 사용되는 엘리베이터의 일반적인 속도인 60m/min의 16배 이상 빠른 1,000m/min을 넘는 속도로 운행되기 때문에 소음 진동이 상대적으로 크게 발생할 수밖에 없으며, 이로 인한 영향으로 인해 승객들이 불편함을 호소할 수밖에 없다.
따라서 본 논문에서는 초고속 엘리베이터에서 발생할 수 있는 소음 진동 요소 및 기타 불쾌감을 줄 수 있는 요소를 파악하고, 이에 대해 제조업체 별로 적용된 기술에 대해 소개하고자 한다.

2. 소음 진동 발생 요소 및 대책 방안
일반적인 엘리베이터의 소음 및 진동을 발생시킬 수 있는 요소는 엘리베이터를 운행시키기 위해 기계적인 운동을 담당하면서 회전에 의한 진동을 발생시킬 수 있는 요소인 권상기와 엘리베이터가 다닐 수 있는 통로가 되는 동시에 설치특성에 의해 진동을 발생시킬 수 있는 레일, 권상기의 진동이 전달되는 역할을 하는 로프 등으로 대별될 수 있으며, 속도가 빨라질수록 카가 받는 풍압 등에 의해 발생되는 소음이 중요한 요소가 된다.
추가적으로 제어적인 요소에 있어서 가감속 시 승객이 느낄 수 있는 불편함, 바람에 의한 건물 진동 및 로프 진동, 이명감을 들 수 있다.
먼저, 권상기에서 발생할 수 있는 소음 및 진동 원인에 대해 알아보면
1) 동기 전동기 형 권상기의 진동 발생 영향 평가 및 대책 설계
동기 전동기형 권상기에서 발생하는 진동은 전자기력에 의해 가감속 시 발생하는 공진에 의한 진동이 있으며, 이를 감쇠시키기 위해서는 프레임에 대한 적절한 설계가 필요하다.
초고속용 엘리베이터의 경우 전자기력이 상당히 크기 때문에 [그림 1]과 같이 전자기력에 의한 구조물(전동기 프레임) 공진에 대한 해석 및 보완 설계가 필요하다. 또한 권상기 회전에 의해 발생하는 진동이 건축물에 전달되어 건물의 균열과 거주자에게 피해를 주는 진동이 발생할 수 있기 때문에 2중 방진 패드를 설계하여 적용시키고 있다.
2) 권상기 진동에 의한 건물 진동 증가 대책 필요
도시바사의 실험에 의하면 속도가 증가하고 권상기의 사이즈가 증가함에 따라 권상기 무게 및 크기 증가, 시브 직경 및 회전속도가 증가함으로써 원심력이 증가해 [그림 3]와 같이 테스트타워에서 카를 매단 경우, 카를 매달지 않고 1,010m/min으로 실험한 경우, Taipei 101빌딩에서 실측한 경우에 대해서 평가한 결과, 고속운행을 할수록 거의 선형적으로 건물 진동이 증가할 수 있는 정도의 힘을 발생시킴 알 수가 있으며, 이러한 실험을 통해 권상기에 대해 [그림 1]과 같은 시뮬레이션을 함으로써 진동 전달을 최소화시킬 수 있도록 설계가 필요함을 알 수 있다.
3) 카 내 측면 진동 대책
카가 운행을 할 때 발생할 수 있는 진동은 고속운행 시 공기역학적인 힘에 의한 것과 레일을 통해 운행을 함으로서 레일의 설치 오차에 의한 것이 있는데 고속으로 갈수록 설치상의 작은 오차도 큰 진동을 발생시킬 수 있기 때문에 이에 대한 대책이 필요하다. 그리고 고층 건물의 경우, 레일 설치 후 사용 회수의 증가 및 건물의 안정화 및 노후화에 대한 대책 역시 필요하다.
우선 미쓰비시엘리베이터의 경우에는 건물 준공 후 건물의 자중에 의한 shortening 현상(건물의 수축범위 : 50mm 이내)에 의해 레일의 틀어짐이 발생할 수 있기 때문에 이에 대한 영향을 제거하기 위해 [그림 2(a)]와 같이 가이드 레일 최하단에 Jack bolt를 설치, 전체적인 건물 수축정도를 점검해 대응할 수 있도록 되어 있다.
또한 [그림 2(b)]와 같이 가이드 레일을 고정하는 클립을 슬라이등 클립을 사용해 건물 수직변위에 대한 유동성을 확보하여 구조적인 부분에서 레일의 틀어짐을 최소화할 수 있도록 하고 있다.
이러한 레일에 대한 구조적인 대책에 추가하여 카 내부로 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있는 장치로서 카 바닥 하부 진동감쇠 장치, 특수 가이드롤러, Active damper를 설계 및 설치해 진동을 저감시킬 수 있도록 하고 있다.
먼저 [그림 4]에서는 카 바닥 하부에 Active 진동감쇠장치를 설치했을 때의 수평진동이 설치를 하지 않았을 때의 진동보다, 고속으로 갈수록 상대적으로 줄어들고 있음을 확인할 수 있으며, 작동방법은 카 바닥 하부에 가속도센서와 변위 센서를 설치, 운행 시 발생하는 진동을 측정하고 이에 따라 [그림 5]의 액츄에이터를 통해 180도 역위상에 동일 진폭의 진동을 발생시켜 진동을 상대적으로 감쇠시키고 있는 구조로 되어 있다.
또한 [그림 6]과 [그림 7]에서 확인할 수 있는 바와 같이 레일의 설치 오차 및 레일 사용에 따라 발생할 수밖에 없는 틀어짐 등에 대해 감쇠를 해주기 위해서 Active 댐퍼와 Active 가이드롤러 등을 사용, 진동 발생 시 액츄에이터를 사용해 역위상의 진동을 발생시켜 진동을 카 내부로 전달되는 것을 감쇠시킴으로써 승차감을 개선시키는 시스템을 적용시키고 있다.
도시바엘리베이터의 경우에 Active Mass Damper(AMD)를 사용하였을 때 진동 개선 정도를 [그림 8]에서 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해서 확인시켜주고 있고 AMD를 실제 현장에 적용해 사용하였을 경우, 진동 수치가 약 20gal(cm/s2)정도에서 10gal 정도로 ½배 정도 줄어드는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

- 다음 호에 계속 -