마모되기 쉬워 잦은 고장을 유발하는 브러시brush를 제거하여 내구성과 신뢰도를 높인 브러시리스 모터는 작은 크기에서 높은 토크와 동적 반응성을 보일 수 있을 뿐 아니라 소음까지 감소할 수 있어 정밀 모션의 필수 요소로 자리매김했다. 그런데 많은 경우, 이러한 장점을 100% 활용하지 못하고 있다고 일렉트로크래프트는 지적했다. 일렉트로크래프트의 자료를 바탕으로 브러시리스 모터를 제대로 활용할 수 있는 방안을 살핀다.
브러시리스 DC 모터BLDC는 물체를 신속하고 정확하게 이동하기 위해 사용된다. 작은 프레임에 높은 토크, 동적 반응성을 결합한 BLDC 모터는 오늘날 실험실 장비를 비롯하여 의료 기기, 정밀 측정 도구 등에 필수 요소로 자리매김하고 있다.
애플리케이션에서 주어진 모터 프레임 크기에서 사용 가능한 토크는 설계의 제한을 가져다 주는 요소이다. 기어 박스를 추가해 토크를 높일 수 있지만, 이는 추가적인 비용을 요구하며, 정밀도와 효율성·응답성은 물론 기기의 소형화에도 영향을 미친다.
이를 해소하기 위해 등장한 방안이 기어 옵션을 사전 통합한 BLDC 기어 모터이다. 예를 들어 일렉트로크래프트ElectroCraft의 LRPX 시리즈는 특수 설계된 BLDC와 기어 박스를 결합한 통합 설계로 부품 수를 최소화하여 작은 풋 프린트에서 높은 토크를 전달하는 동시에 높은 정확도와 향상된 동적 응답을 제공한다.
통합 BLDC 기어 모터와 설계
모든 BLDC 모터는 고정자와 회전자, 감지 장치, 구동되는 기어 박스 또는 물체에 대한 커플링 장치 등 동일한 기본 구성 요소를 갖고 있다. 표준 BLDC는 고속 작동에 적합한 슬롯이없는 고정자와 영구 자석 회전자를 사용하여 회전 운동을 생성하는데, 일반적으로 2개 혹은 4개의 자기극이 사용된다.
이와 달리 통합된 기어 모터는 캡슐형 폐쇄 슬롯 고정자를 사용한다. 높은 토크 출력 비율을 지원하고 열 전달성을 높이기 위함이다. 또 8개의 자기극을 사용하여 낮은 토크에서도 빠른 응답 속도가 구현되도록 했다.
로터와 스테이터 사이의 전자기 상호 작용은 모션의 시작을 의미하며, 많은 애플리케이션에서 설계자는 기어 박스를 사용하여 모터 토크와 속도를 조정함으로써 애플리케이션의 토크와 속도 요구 사항을 수용한다. 표준 BLDC 모터는 샤프트를 기어 박스에 연결하기 위해 커플링과 추가 기어 박스를 필요로 하므로 풋 프린트가 증가하고 때때로 호환성 문제가 발생하기도 한다. 반면 모터 자체에 직접 연결된 유성 기어 박스를 포함하고 있는 통합 기어 모터는 구성 요소의 유연성을 최소화하고 효율적인 작동을 보장하며 호환성 문제를 제거하는 이점을 지니게 된다.
통합 BLDC 기어 모터와 성능
설계자는 시스템에서 필요한 성능을 얻는 것을 주된 목표로, 모터를 선택한다. 이때 설계자가 가장 중요하게 고려하는 특성은 모터 속도와 토크, 전력이다. BLDC 모터의 특징 중 하나는 고속 동작으로, 기어 박스가 없는 표준 BLDC는 최고 30,000rpm의 속도로 동작할 수 있다. 그런데 이때 잊지 말아야 할 점은 연결되는 기어 박스로, 거의 모든 기어 박스는 최고 속도가 10,000rpm 이하로 제한된다.
따라서 기어 박스에 부착된 표준 BLDC 모터는 기어 박스 최대 입력 속도보다 훨씬 높은 작동 속도로 등급이 매겨지게 된다. 반대로 통합 기어 모터의 BLDC 모터는 최대 9,000rpm의 최고 속도를 가질 수 있지만, 일반적으로는 기어 모터 적용시 6,000rpm으로 동작한다.
BLDC 모터의 경우, 토크가 또 다른 중요한 고려 사항이다. 많은 표준 BLDC 모터는 20,000rpm 이상의 속도에서만 사용할 수있는 토크 출력 레벨을 발표하고 있으며, 기어 박스에 부착해서는 사용할 수 없다. 또 기어 박스 정격 속도에서 사용 가능한 토크가 크게 감소할 수 있는 문제도 있다.
이와 달리 통합 기어 모터는 BLDC 모터와 유성 기어 장치의 최고 성능을 결합하도록 설계됐다. 통합 유성 기어 장치는 1,100oz.in 이상의 피크 토크를 생성할 수 있으며, 통합된 기어 모터의 높은 토크 밀도는 유성 기어링에서 더 낮은 기어비를 가능케 한다.
통합 BLDC 기어 모터와 효율
BLDC 모터의 또다른 장점은 효율적으로 전기를 모션으로 변환할 수 있다는 점이다. BLDC 모터의 최대 작동 효율은 최고 속도 부근에서 발생하는데, 앞서 살펴본 것처럼 기어 박스와 결합된 표준 BLDC 모터의 최고 효율 속도는 28,000rpm으로 기어 박스의 설정 작동 범위를 벗어나며, 기어 박스의 속도 범위 내에서 작동하는 표준 BLDC 모터는 최대 효율 이하를 보일 수밖에 없다.
이와 달리 통합된 기어 모터 BLDC는 최대 모터 효율의 속도가 유성 기어 장치의 작동 속도 범위 내에 있도록 설계됨으로써 BLDC 모터의 이점인 높은 효율성을 유지시킨다. 예를 들어 기어 박스 설계자는 가장 효율적으로 동력을 전달하고 최소한의 에너지를 사용하기 위해 기어비를 최소화하려고 노력하는데, 4온스 이하의 토크를 갖는 표준 BLDC 시스템에 부착된 기어 박스는 훨씬 더 높은 기어비를 가져야 하며, 이로 인해 에너지 효율과 전력 공급, 동적 반응이 저하되게 된다.
실제로 한 제약 회사는 2Nm의 토크를 전달하는 대형 펌프에서 51:1 비율의 기어 박스와 표준 BLDC 모터를 33:1의 기어비를 사용한 일렉트로크래프트 LRPX-32 통합 기어 모터로 교체함으로써 25%의 효율 향상을 실현했다.
통합 BLDC 기어 모터의 이점
이 제약 회사가 얻은 이점은 에너지 효율만이 아니다. 오늘날 모든 종류의 장치 설계가 계속 줄어들면서 소형화의 요구가 높아지고 있는데, 통합 기어 모터는 모터와 유성 기어 장치를 모두 포함하도록 설계되어 공간을 보다 효율적으로 사용, 소형화의 요구에 대응할 수 있게 한다.
통합 기어 모터는 표준 BLDC 모터처럼 모터를 기어 박스에 연결하기 위해 추가 커플링이 필요하지 않으며, 볼 스크류 또는 이와 유사한 장치를 추가적으로 도입하지 않아도 직선 운동을 수용할 수 있게 한다. 추가된 기어 박스와 쌍을 이루는 표준 BLDC보다 LRPX-32는 27% 더 작은 풋 프린트를 가진다.
이를 보여주는 사례는 자동 가이드 차량AGV이다. 한 AGV 설계자는 일렉트로크래프트 LRPX-32로 전환하여 조향 모터 볼륨의 54%를 절약했으며, 1.4Nm 스티어링 설정을 79:1의 기어비에서 33:1의 비율로 변환함으로써 에너지 사용량도 1/4로 감소시켰다.
소음에도 이점이 있다. 많은 응용 분야에서 소음은 중요한 설계 고려 사항이다. 소음은 애프터 마켓 기어 박스와 표준 BLDC의 결합 시 시스템 구성 요소의 오정렬로 인해 발생하는 경우가 종종 있으며, 통합된 기어 모터는 하나의 단위로 설계되고 제조 시 정렬되기 때문에 오정렬에 의한 소음 발생을 제거하며, 일반적으로 더 조용하게 작동한다.
설계 시 최종 고려 사항은 모터의 작동 환경에서 높은 습도·물방울이나 먼지·파편, 그리고 넓은 온도 범위에 사용할 수 있는 능력이다. 모든 BLDC 모터는 홀 효과 센서 또는 인코더를 사용하므로 기계식으로 정류된 브러시 DC 모터와 비교할 때 더 강력한 보호 장치가 필요하다.
그런데, 표준 BLDC 모터는 캡슐화되지 않아 습기나 물에 대한 보호 기능이 약하다. 반면 통합 기어 모터는 모든 분진 및 워터 제트를 배제한 최대 IP65 레벨의 보호를 위한 밀폐형 베어링 옵션을 제공한다. 나아가 통합 기어 모터는 작동 온도 범위도 42°C에서 155°C로 넓다.
통합 BLDC 기어 모터를 통한 차별화
BLDC 모터는 다양한 산업 분야에서 모션 요구에 필수적인 요소이다. BLDC 모터의 에너지 효율과 토크·속도는 충분히 매력적이다. 그러나 표준 BLDC 모터의 경우, 이 세 가지 속성을 동시에 만족시킬 수 없다. 유용한 수준의 토크를 달성하는 데 필요한 기어링이 모터의 피크 속도와 효율에 도달할 수 없는 장애물이 되기 때문이다.
이와 달리 일렉트로크래프트의 LRPX 라인과 같은 통합 기어 모터는 효율적인 BLDC 모터와 통합 유성 기어 박스를 사전에 결합하는 설계로 사용 가능한 속도와 에너지 효율을 유지하면서 높은 토크와 높은 출력 작동이 가능하게 된다. 이러한 성능상의 이점에 더해 저소음, 다양한 환경에서의 작동 능력이 결합된 BLDC 기어 모터는 효율적인 패키지로 정밀한 응답성이 요구되는 설계에서 매력적인 옵션이 될 수 있다.
