모터 선정 & 기어박스 매칭 가이드 (1)
모터 선정 & 기어박스 매칭 가이드 (1)
  • 윤진근 기자
  • 승인 2018.07.14 10:00
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Motor Selection & Gearbox Matching Guide
모터는 기계장치의 심장을 담당하고 있다. 공장자동화는 물론, 산업과 상업 분야를 아우르는 다양한 현장에서 모터를 찾아볼 수 있다. 모터는 동력을 전달해 장치를 움직이게 하는 핵심 요소다. 그만큼 작업에 적합한 모터를 결정하는 것은 신중에 신중을 기할 수밖에 없다. 최신 기술이 계속해서 등장하는 요즘에는 더욱 그렇다. GROSSCHOPP가 제공하는 모터 선정의 기초 가이드를 통해 모터를 보는 눈을 키워보자.

목차
1. 우수한 서보 제품을 선택하기 위한 8단계
2. 마력은 무엇이며, 어떻게 계산하는가?
3. 모터 선정의 기초
4. 모터에 집중하기

 
1. 우수한 서보모터를 선택하기 위한 8단계
서보 시스템은 말 그대로 서보 기술을 활용한 시스템을 말한다. 실사용에 적합한 서보를 올바르게 선택했을 때, 자동화 장비는 놀라운 속도와 정확도 그리고 유연성을 얻을 수 있다. 

반면 잘못된 서보를 사용한다면 조율 과정이 어려워지거나 형편없는 정확도 혹은 실망스런 성능을 유발하기도 한다. 

수많은 서보 시스템이 시장에 난립하고 있는 오늘날, 어떤 방식으로 올바른 서보의 선택을 확신할 것인가? 

용량선정(Sizing) 이라고 알려진 올바른 서보모터 및 드라이브 선택 과정이 있다. 용량선정은 여덟 가지 단계를 통해 적합한 제품을 선정할 수 있도록 돕는다.

1. 전압 - 가장 먼저 고려해야 할 요소는 장비의 유효 전력이다. 서보는 100VAC·200VAC·400VAC 모델 등이 있으며, 단상 전력 혹은 3상 전력과 호환된다.

2. 모션 프로파일 - 반복 작업을 수행하는 기기 및 장비에 전 사이클(주기)에 걸친 모터 속력을 확인한다. 가속 및 감속 시간 또한 고려해야 한다. 
서보모터는 마법을 부리는 제품이 아니다. 따라서 장치의 급격한 속도 변화까지 제어할 수는 없다. 또한 밀링 등의 비 반복 작업에서는 최대 속도 및 실사용에 필요한 가속도를 계산해야 한다.

3. 토크 - 토크는 기계장치를 회전하는데 필요한 ‘힘’을 뜻한다. ▲기계장치의 관성 ▲마찰 ▲객체 또는 중력에 대한 압력 등, 외력을 가속하는 세 가지 다양한 형태(Source)에서 토크를 볼 수 있다. 이는 정확히 계산하기가 어려운 부분이자, 선택과정에서 간과하기 쉬운 부분이기도 하다. 시스템에 포함된 각 부품의 관성을 계산하고, 이렇게 나온 각각의 값을 더함으로써 토크를 정확하게 계산할 수 있다.
회전 관성을 계산하는 공식은 인터넷에서 쉽게 찾을 수 있다. 대략적으로 그 과정을 설명하면 다음과 같다. ①가속도에 부하 관성을 곱하여 부하의 가속 토크를 구한다. ②슬라이딩(미끄럼) 하중에 필요한 마찰력과 수직 하중에 필요한 중력 및 기타 외력을 계산한다. ③각각의 힘을 행동반경(모멘트Moment)에 곱하여 토크 값을 구한다.
장치를 작동시켰을 때 발생할 수 있는 최악의 경우를 상정하고 계산한 모든 토크 값을 더하여 최대 토크 값을 얻는다. 여기서 최악의 경우란, 일반적으로 가장 빠른 가속이 일어나거나 기계에 최대 질량이 가해지는 상황을 말한다.
외력·중력·마찰력을 통해 구한 토크 값을 더하여 연속 토크 소요량을 계산한다. 연속 토크 소요량은 제곱평균(Root-Mean-Squared, RMS)을 사용하는 것이 이상적이다. 하지만 제곱평균을 구하는 과정은 소프트웨어의 도움 이 없이는 지나치게 길고 난해하다.

4. 관성비 - 초보자들은 서보 선정에 있어 관성비를 구하는 과정을 간과하고는 한다. 하지만 관성비를 파악하는 것이 서보 시스템의 성능을 가늠하는데 가장 중요한 요소라는 것은 부정할 수 없는 사실이다.
관성비는 부하의 관성을 기어 감속의 제곱으로 나눈 모터의 회전자 관성으로 나눈 비율이다. 기어 감속의 제곱을 모터 회전자의 회전 관성으로 나누고, 이를 다시 부하 관성으로 나눈다. 
관성비를 복싱으로 비유해보자. 토크가 복서의 강력함, 즉 힘을 의미한다면 관성비는 복서의 체급을 나타낸다. 서보 시스템이 부하를 옮기기 위해서는 적절한 토크 값 외에 부하를 제어할 능력 또한 필요하다.
이상적인 상황에서라면, 기계장치는 기계적으로 결점이 없으며, 모터에서의 토크 또한 부하까지 원활하고 지체 없이 전달된다. 하지만 현실에서는 커플링이 구부러지고 벨트와 체인이 늘어나며 기어에 백래시가 발생하기도 한다. 이러한 결함을 최소화할 수는 있으나 완전히 제거할 수는 없다.
모터가 작동을 시작하면, 기계는 스프링처럼 감겼다가 모터를 밀어서(Push Back) 장치를 작동시킨다. 이 과정에서 약간의 지연(Delay)이 생긴다. 이러한 ‘스프링 효과’는 관성비의 증가와 비례해 확대된다.
서보 시스템은 내장 엔코더를 통한 피드백 및 증폭기의 PID 알고리즘 등을 사용하여 모터를 정확한 위치에 배치한다. 하지만 효과로 인해 장치의 루프 증가치(Loop Gains)가 지나치게 높은 경우 진동이나 제어 상실 등이 일어나기도 한다. 이와 반대로 루프 증가치를 낮추면 진동을 잡을 수 있지만, 반응성 역시 떨어진다.
기본적인 서보 드라이브는 3:1 혹은 그 이하의 관성비를 요구하지만, 고성능 서보 드라이브는 자동 튜닝·진동 억제·공진 필터·외란 보상 기능을 포함하여 별다른 성능의 손실 없이 최대 30:1의 관성비를 허용한다. 1:1 관성비는 우수한 성능을 제공하지만, 대개 대형 모터 위주로 수요가 형성되어 있다. 1:1 이하의 관성비는 성능 상의 이점 없이 전력을 낭비하는 셈이 된다.

5. 모터 선택, 1라운드 - 지금까지 서보모터를 선택하기 위한 주요 기준을 대부분 정의했다. 다음은 사용자의 요구사항에 일치하는 모터를 찾기 위한 지침을 읽어볼 차례다.
공급 전압과 일치하며 위에서 기술한 계산한 값을 초과하는 정격 속도 및 연속 토크, 최대 토크 등급 등을 갖춘 모터와 드라이브를 찾는다. 모터의 회전 관성을 확인하여 사용하는 서보 드라이브에 적합한 관성비 요건을 갖춘 제품을 구한다. 대부분의 경우 서로 유사한 토크 및 속도 특성을 갖췄으나 각기 다른 회전 관성을 지닌 다양한 모터를 쉽게 찾을 수 있을 것이다.
이러한 과정을 통해 기준을 충족하는 모터를 발견하면 행복한 결말이다. 하지만 그렇지 않은 경우, 기어장치를 사용하여 모터 및 모터의 부하를 기준에 근접하도록 만들 수 있다.

6. 기어링(기어장치 사용) - 서보모터는 0rpm 부터 수천 rpm까지의 최대 정격 토크를 생성할 수 있다. 몇몇 장치는 기어 감속 없이 이러한 속도를 활용할 수 있다. 하지만 대부분의 장치는 그렇지 않다.
기어 감속은 세 가지 방법으로 서보를 부하에 맞게 조정한다. 속도 감속·토크 증가·관성비 감소가 그것이다. ▲속도는 기어비에 비례하여 줄어들고 ▲토크는 기어비에 비례하여 증가하며, 가장 중요한 요소인 ▲관성비는 기어비의 제곱에 맞춰 줄어든다. 기어박스 제조업체들은 자체적으로 서보 등급(Servo-Grade) 기어박스의 관성비를 표기하여 기어박스 관성을 토크 및 관성 계산에 포함하기 용이하도록 만든다.
 
7. 모터 선택, 2라운드 - 모터 선택 1라운드에서 선택한 모터는 필요한 것보다 더욱 높은 속도를 내는 제품이 대부분이었다. 모터 속도를 필요 속도로 나눈 뒤 소수점 자리를 버림으로써(Round Down) 시동 기어비를 구할 수 있다. 그 다음, 필요 토크를 기어비로 나누어 새로운 필요 토크 값을 구한다. 이를 통해 모터 선택의 범위를 두어 개 정도로 좁힐 수 있다.
앞의 과정을 마쳤다면, 허용할 만한 관성비를 갖춘 모터를 찾는다. 두 모터가 비슷하다면, 좀 더 낮은 관성비를 가진 모터를 선택하는 것이 바람직하다. 각기 다른 정격 속도를 가진 다양한 모터를 활용해 이 단계를 여러 차례 반복한다. 작업에 가장 적합한 단 하나의  제품이 남을 때까지 말이다.

8. 서보 드라이브 및 여타 장치 선정 - 서보모터를 선택했다면, 적절한 입력 전압 및 서보모터를 구동하기에 충분한 출력 전류를 갖춘 서보 드라이브를 선택할 차례다. 
서보 드라이브는 다양한 인터페이스로 제어할 수 있다. 대표적인 인터페이스로는 펄스 및 신호(Pulse and Direction) 디지털 제어·아날로그 제어·여타 서보 네트워크 등이 있다. 이 중 서보 네트워크는 타 인터페이스에 비해 제어 및 피드백이 빠르고 배선이 줄어들며 우수한 진단 능력을 가지고 있다.
이후 수직 하중 혹은 외부 제동에 대한 저항을 위한 모터 축, 축 보호 장치, 제동장치 등의 사항을 선택한다.

실사용에 적합한 서보 시스템을 선택하는 작업은 연습과 반복을 통해 속도와 정확도를 향상시킬 수 있다. 일종의 기술인 셈이다. 장치 선택에 어려움을 겪고 있다면 제조사나 유통업체와 함께 검토하는 것도 좋은 방법이다. 

2. 마력은 무엇이며, 어떻게 계산하는가?
“어떻게 마력을 계산하나요?” 
기술자들이 고객에게서 자주 받는 질문 중 하나다. 이러한 질문에 답변하는 것은 의외로 쉬운 일이 아니다. 
 
질문에 답변하기 전에, 우선 마력이 무엇인지에 대해 정의한다.

마력(馬力)은 다른 힘의 단위들과 마찬가지로 ‘일이 수행되는 속도’를 의미한다. 마력이라는 말은, 한 필의 말이 낼 수 있는 힘을 측정하기 위한 실험으로부터 유래됐다. 실험을 통해 한 필의 말은 분당 33,000ft-lbf 의 일을 수행할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 문서에서도 이공식을 그대로 적용하고 있다.

마력을 계산하는데 도움을 줄 식은 다음과 같다.

 
위 식을 변경하면

 
이 된다. 전기 모터의 경우 토크 값과 속도를 통해 전력 혹은 마력을 계산할 수 있다. 예를 들어, 3,000rpm 및 6 in-lbf짜리 모터를 가지고 있다면, 해당 제품의 마력은 아래와 같이 계산할 수 있다.

 
63,025는 rpm을 속도 단위로, in-lbf을 토크 단위로 사용할 때의 상수다. 5,252 또한 속도 단위가 rpm이며 토크 단위가 in-lbf일 경우의 공통 상수다. 단위가 다른 경우엔 단위 변환을 하면 된다.

상수는 분당 33,000ft-lbf = 1마력이라는 식을 통해서 산출된다. 

마력 단위는 33,000 ft-lbf/min의 함수이지만, 모터의 속도 및 토크 마력을 산출하는 방법을 이해하는 데 있어 크게 중요하지는 않은 요소다.

모터의 힘 수치를 측정할 때 사용되는 또 다른 단위론 와츠(Watts, W)가 있다. 와츠에서 마력으로의 변환은, 745.7W = 1hp이다.

프로그램을 활용하자
Groschopp는 MOTORTEC STP 계산기를 개발했다. 무료로 다운로드 할 수 있는 프로그램인 MOTORTEC STP 계산기는 속도·토크·전력을 계산하는 빠르고 간단한 방법을 제공한다. 또한 자주 사용되는 단위들에 대한 변환을 선택하고 자동생성 한 뒤 인쇄할 수 있다.

MOTORTEC STP 계산기의 장점은 다음과 같다.
1. 속도, 토크, 전력을 계산할 수 있다.
2. 최적의 모터 선택을 위해 추정 전류 및 손실을 계산할 수 있다.
3. 쉽고 정확하게 측정단위를 변환할 수 있다.
4. 맞춤화 및 보고서 인쇄가 가능하다.
5. 운영비를 계산할 수 있다.


MOTORTEC STP 계산기는 온라인 홈페이지에서 직접 사용하거나 PC로 내려받아 사용할 수 있다.
 
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