프랑스 건설 기계 제조업체, Simcenter Amesim을 사용하여 최초의 전기 휠 굴착기 개발

빛을 발하는 혁신

파리 시의회는 오염을 줄이고 시민의 건강을 보호하며 기후 변화에 대응하기 위해 2018년 지역 대기질 에너지 계획(Territorial Air Energy Plan)을 채택했습니다. 이 계획을 통해 파리는 2050년까지 탄소 중립 도시를 목표로, 그 전에는 2024년까지 디젤 프리를 실현하고 2030년까지 가솔린 엔진을 없애는 것을 목표로 합니다.

Mecalac Group(Mecalac)은 이러한 목표를 염두에 두고 도시의 청정 공기 요구에 부합하는 기계를 설계하고 제작했으며, 혁신적인 완전 전기 휠 굴착기인 Mecalac e12는 이 회사에서 대표적인 관련 이니셔티브 제품입니다. INTERMAT 2018 무역 박람회에서 공개된 Mecalac e12는 기술적, 환경적 성과를 인정하는 에너지 전환 어워드(Energy Transition Award)를 수상했습니다.

"우리는 최초의 100% 전기 굴착기 출시와 함께 2024년까지 제로 디젤 목표를 달성하는 데 중요한 이정표에 도달했습니다,"라고 Mecalac의 연구 및 개발 디렉터인 Max Boni는 말합니다. "이산화탄소와 기타 유해 오염 물질을 전혀 배출하지 않는 이 새로운 굴착기는 Mecalac 역사의 새로운 시대를 예고합니다. 이는 갈수록 소형화되고 고성능이며 친환경적으로 수행되는 도시 작업 현장에 대한 당사의 혁신 전략과 원활하게 연계됩니다."

세 가지 주요 설계 과제, 획기적인 단일 혁신

Mecalac은 전기 굴착기를 개발하기 위해 범위, 성능 및 소형화라는 세 가지 기본 요구사항을 충족하는 최적의 아키텍처를 정의했습니다. 이를 위해 배터리 크기를 정확하게 조정하는 것이 주요 과제였습니다. 즉, 매개변수가 많은 어려운 방정식을 풀어야 했지만 달성 가능한 과제였습니다.

"미래의 연속 생산을 예상하면서 초기 작업 프로토타입을 개발하는 것이 관건이었습니다,"라고 Mecalac의 메카트로닉 시스템 엔지니어인 Thomas Schaep은 설명합니다. "우리는 특정 맞춤형 배터리 솔루션을 찾는 것이 아니라, 기계의 전체 범위, 비용, 설치 공간을 최적화하면서 기성 배터리 모듈을 결합하려 했습니다."

Simcenter Amesim 선택

Mecalac의 연구 개발(R&D) 팀은 새로운 전기 굴착기 모델을 연구하기 위해 기계, 유압, 열, 전기 수준에서 시스템 성능을 분석하고 예측할 수 있는 모델링 및 시뮬레이션 솔루션을 채택하려 했습니다.

Mecalac은 사용 편의성 및 개방성을 갖추고 즉시 사용 가능한 광범위한 다중 물리 라이브러리를 제공하는 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter Amesim™ 소프트웨어를 선택했습니다. Schaep는 이러한 솔루션을 잘 알고 있었으며 바로 사용할 준비가 되어 있었습니다. 모델링 단계는 3단계 프로세스로 완료되었으며 약 3개월 동안 지속되었습니다.

첫 번째 단계는 2D 계획에서 측정한 치수를 Microsoft Excel 스프레드시트 소프트웨어에 입력하는 기계적 모델링이었습니다. Simcenter Amesim과 Excel 간 동기식 양방향 연결은 여기에 입력된 값을 Simcenter Amesim의 시뮬레이션 매개변수로 사용했습니다. 이러한 매개변수가 Simcenter Amesim에서 변경되면 Excel에서 자동으로 업데이트되어 두 데이터 소스를 동시에 업데이트할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 더 많은 사용자들이 Simcenter Amesim에 익숙하지 않아도 Excel 정보를 사용할 수 있습니다. 또한 Simcenter Amesim의 CAD(Computer-Aided Design) 가져오기 기능을 사용하면 CAD 파일에서 몇 번의 클릭만으로 굴착기의 키네마틱/기계 모델을 자동으로 생성할 수 있습니다.

다음 단계는 유압 모델링이었습니다. 유압 분배는 슈퍼 컴포넌트를 사용하여 모델링되며 지속적으로 반복됩니다. 건설 장비용 유압 장치의 비용이 높기 때문에 이 단계에는 매우 세분화되고 상세한 모델링이 필요했습니다. 모델의 최적 대표성을 보장하기 위해 시뮬레이션을 통해 얻은 결과를 실제 물리적 측정과 비교했습니다. 그 결과, 승인된 상관 관계가 관찰되었습니다.

마지막 단계는 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 상세 모델이 컨트롤러, 인버터 및 배터리와 연결되는 전기 모델링이었습니다.

처음부터 올바른 e12 프로토타입 제작

Mecalac은 Simcenter Amesim 모델을 사용해 다양한 아키텍처 옵션을 시뮬레이션하고 여러 매개변수를 분석하여 전력 시스템의 크기를 조정하고 처음부터 올바른 프로토타입을 제작했습니다. 이는 비용과 시간 측면에서 상당한 이점을 가져왔습니다. 실제로 Mecalac은 Simcenter Amesim이 없었다면 범위, 성능 및 혼잡도 측면에서 최적화된 아키텍처를 만들기 위해 2~3개의 프로토타입이 필요했을 것이라고 생각합니다.

Boni는 이렇게 설명합니다. "Mecalac e12 배터리는 146킬로와트시의 기록적인 용량과 8시간의 독보적인 지속 시간을 제공하며 기존 배터리보다 3배 더 긴 배터리 수명을 가지고 있습니다. 이러한 성능은 INTERMAT 2018 무역 박람회에서 전문가들로부터 널리 호평을 받았습니다."

창의성 향상

Simcenter Amesim은 검증된 라이브러리, 간편한 채택 및 견고성을 바탕으로 사용 편의성과 신속한 구현이 가능하다는 이점을 제공하여 Mecalac의 R&D 부서에서 즉시 긍정적인 평가를 받았습니다.

"이전에는 정량화할 수 없었던 에너지 손실과 같은 특정 현상을 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 이제 명확하게 파악할 수 있습니다,"라고 Schaep은 말합니다. "모델의 예측 가능성에 대한 높은 수준의 확신을 바탕으로 여러 시뮬레이션을 신속하게 수행할 수 있습니다. 이를 통해 시간을 내어 살펴보기 어려웠을 많은 창의적인 솔루션을 검토하고 옵션을 고안할 수 있습니다. 한마디로 Simcenter Amesim은 우리의 창의성을 높여줍니다."

새로운 개념 수용

Mecalac은 e12의 연속 생산 단계에서 작동하는 Simcenter Amesim 모델의 고급 버전을 이미 사용하고 있습니다. 실제로 엔지니어링 부서는 적절한 동작을 보장하기 위해 Simcenter Amesim 모델을 제어 법칙 모델과 결합할 계획입니다. 이 Simcenter Amesim 모델의 다음 단계는 배터리의 주기적 노후화 및 일정 노후화를 검증하는 것입니다. 마지막으로, Siemens Digital Industries Software의 HEEDS™ 소프트웨어와 같은 최적화 솔루션을 사용하면 설계 탐색 프로세스를 자동화하고 가속화하는 데 도움이 됩니다.

"Simcenter Amesim을 통해 새롭고 혁신적인 설계를 사전에 탐색할 수 있습니다,"라고 Boni는 설명합니다. "e12를 사용한 이 첫 번째 연구는 향후 개발을 위한 새로운 아이디어를 촉발하는 제안 상자와 같습니다. 우리는 마케팅 팀과 구매 팀을 위한 제안의 원천 역할을 하고 있습니다."

이 접근 방식은 지난 40년 동안 미래의 도시 작업 현장의 요구에 적응하고 혁신적인 솔루션을 제공해온 Mecalac Group의 기원과 일치합니다.