모터는 기계장치의 심장이다. 공장자동화는 물론, 산업과 상업 분야를 아우르는 다양한 현장에서 힘차게 뛰고 있다. 모터는 동력을 전달해 장치를 움직이게 하는 핵심 요소다. 작업에 적합한 모터를 결정하는 작업에 신중을 기해야 하는 이유다. 최신 기술이 계속 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. 기어모터: 완벽한 모터와 기어박스의 조합을 위해
4. 모터 선정의 기초
5. 모터에 대해 좀 더 알아보자
☞계속
3. 기어모터: 완벽한 모터와 기어박스의 조합을 위해
응용사례 및 솔루션을 개발하는 전기 및 기계 설계 기술자들에게는 기어모터를 선택하는 과정이 퍽 까다롭다.
모터와 기어박스를 필요로 할 때, 각 부품을 별도로 구입한 후 응용사례에 맞게 조립하는 것이 좋을까? 아니면 조립식 기어모터를 선택하는 것이 나을까? 두 가지의 차이점은 무엇일까?
엔지니어링 매니저 Seth Hulst와 설계기술자 Loren Kamstra는 OEM 응용사례에 적합한 모터와 기어박스의 조합을 선택하는 것에 초점을 맞추어 비용 최적화와 성능 그리고 여타 중요 고려사항들을 설명한다.
아래에 설명하는 기본적인 모터 및 기어모터의 종류와 각각의 장점은 필요한 요구사항에 가장 적합한 기어모터를 간단히 선택할 수 있도록 도움을 준다. 당장 기어모터가 필요하지 않는 경우라 하더라도, 두 기술자가 제시하는 지침의 대부분은 응용사례 내에서 현재 사용하고 있는 기어모터의 성능을 확인하는 데 도움이 된다.
모터와 기어박스를 선택할 경우 다음과 같은 지침을 기억하라.
1. 여러 종류의 기어박스가 가진 등급 및 특성들을 ‘전체적인 그림’ 측면에서 해석한다.
2. 기어박스 등급을 기준으로 적절한 모터를 선택한다.
3. 속도·토크·수명은 물론, 항복 강도(Yield Strength)·작동 속도·설치 위치·부하용량 등 주요 응용사례 및 성능 특성을 파악한다.
4. 크기가 맞지 않는 모터를 선택하거나 과열 문제 혹은 토크 산출에서의 계산 착오 등 흔히 일어날 수 있는 실수들을 미연에 방지한다.
5. 열적 요소 및 기계적 요소들이 어떻게 기어박스의 효율성과 성능을 제한하는지에 대해 학습한다.
6. 토크 밀도가 모터의 온도 및 수명에 미치는 영향을 분석한다.
7. 적합한 기어박스 비율을 선택하는 방법에 대해 배운다.
기어박스를 선택할 때에는 고려해야 할 사항들이 많다. 모터와 기어박스를 개별적으로 선택하든 조립식 기어모터를 선택하든, 응용사례에 대한 이해는 필수적이다.
기어박스 선택 시의 고려사항으로는 기계적·열적인 제한요소 외에도 속도 및 토크에 대한 조건 등이 포함된다.
부품을 구매하여 조립하든 조립식 기어모터를 구매하든, 적절한 제품을 선정하고 활용하면 성공적으로 작업에 투입할 수 있다.
통합 기어모터가 요구사항을 충족할 수 있는 경우 비교적 덜 복잡하고 단가가 저렴한 솔루션이 된다.
하지만 응용사례가 가지고 있는 특성은 다양하다. 각 작업의 특수한 요구사항을 충족하고 기어박스 및 모터의 호환성을 보장하기 위해서는 기어박스 및 모터 사양의 광범위한 검토가 필요하다. 이 경우 각 부품을 개별적으로 선택하는 것이 바람직하다.
4. 모터 선정의 기초
설계 기술자 및 OEM 업체가 제공하는 모터 선택의 기초 정보를 제공한다. 설계자들의 모터 선정 및 사용자 맞춤화 과정을 돕기 위한 자료이다.
네 가지 종류의 모터(AC 유도 모터·PMDC 모터·유니버셜 모터·브러시리스 DC 모터)에 초점을 맞추어 각각의 단점과 장점 그리고 특성을 세밀하게 담았다.
일정 수준의 모터 설계 혹은 선정 과정에 참여하는 이들(현재 진행 중인 프로젝트에서 기술 및 설계상의 난점을 극복할 새로운 아이디어를 찾고 있거나 앞으로의 설계를 계획하거나 또는 모터 구입에 책임을 가지고 있는 경우)을 위해 응용사례별 설계 및 성능을 최적화하는 네 가지 기본적인 단계를 설명한다.
설계와 성능을 최적화하기 위한 4가지 요소 1. 모터에 대한 기본 정보. 응용사례에 최적화된 모터를 선택할 때 알아둬야 할 사항으로는 무엇이 있는가? 2. 응용사례 설계 시 고려사항. 응용사례의 주요 특징과 목표 그리고 우선순위를 어떻게 구분할 것인가? 환경과 작동주기 그리고 전기적·기계적 부하가 모터의 성공적인 활용에 어떠한 역할을 하는가? 3. 모터의 종류. 응용사례 고유의 고려사항은 무엇인가? 고려사항에 적합한 모터의 종류는? 각 모터의 종류를 비교 검토하는 것은 설계자에게 좋은 출발점이 된다. 4. 맞춤형 주문 제작. 맞춤화 및 주문 제작은 모터의 성능에 어떤 영향을 미치는가? 모터 설계의 성능 및 효율성 등을 극대화하여 목표를 달성하는 방법은?
모터에 대한 기본 정보
모터의 목표(즉, 용도)는 회전 운동을 제공하기 위해 전력을 기계 동력으로 변환하는 것이다. 이는 모든 응용사례에 동일하다. 모든 응용사례는 입력 및 출력을 위한 자체적이고 개별적인 파라미터(매개변수)를 가지고 있다.
아래의 그림은 모터의 입력 및 출력 파라미터를 시각적으로 설명한 것이다.
입력 전력(Input Electrical Power)은 DC 배터리·AC 선간 전압·정류 AC 선간 전압·다양한 종류의 제어(Variety of Controls) 등 여러 형태를 띤다.
입력 전력은 응용사례의 종류 및 환경적 제약 그리고 부하를 이동시키는데 필요한 소비 전력 등에 따라 볼트·암페어·주파수 등 다양한 형태로 나타난다. 출력 전력은 작업을 수행하는데 필요한 모터 속도 및 토크 응답(Torque Response)를 의미한다.
응용사례에서의 고려사항
모터를 선정하는 과정은 응용사례에 대해 평가하고, 선정한 모터가 응용사례의 요구사항에 적합한지 확인하는 것으로 시작된다.
응용사례를 평가할 때는 Groschopp에서 제공하는 ‘응용사례 고려사항 체크리스트(Application Considerations Checklist)’ 등의 체크리스트를 활용하는 것을 추천한다. 이 체크리스트는 OEM 모터를 설계하고 성공적인 전체 시스템 솔루션을 구축하는 과정에 반드시 필요하다.
체크리스트를 활용해 응용사례에 대한 자료를 모으고 나면, 중요도에 따라 우선순위를 매긴다. 이를 통해 모터 설계 및 시스템 설계에 대한 방향을 수립할 수 있다.
단, 여기서 주의해야 할 사항은 각 응용사례마다 자체적인 성능 관련 요구사항이 존재한다는 점이다. 따라서 체크리스트만으로 모든 사항을 평가하기는 부족할 수도 있다.
이 경우 모터 전문 기업의 기술자들과 협력하면 노력을 덜 수 있다. 전문 업체의 기술자들은 현장에서 축적한 오랜 경험을 바탕으로 모터 선정에 도움을 준다.
Grosshopp의 응용사례 고려사항 체크리스트로는 다음과 같은 것들이 있다.
1. 입력 전력의 종류: 전압·주파수·전류(효율)·제어(Control)
2. 환경: IP(Ingress Protection) 등급·온도(제품 내·외부)
3. 기어모터의 사양: 크기·무게·평균수명(시간)·유지보수의 용이성·소음
4. 기어모터의 성능: 속도(RPM)·토크(in-lb 혹은 Nm)·정격 출력(와트 혹은 마력)·시작 및 정지 토크 등
5. 사용률(Duty Cycle- 작동시간 및 비 작동시간): 지속적 혹은 간헐적
6. 일반적인 요구사항: 설치 방향 및 유형·오버헝 하중·가로 하중·크기·엔빌로프·윤활 등
5. 모터에 대해 좀 더 알아보자
모터에 대한 요구사항은 일반적으로 두 종류로 나눌 수 있다. ▲부하에 대한 요구사항과 ▲환경적인 요구사항이 그것이다. 모터를 사용할 때는 후자의 조건, 즉 환경적인 요인이 주로 말썽을 일으킨다.
1. 부하에 대한 요건은 일반적으로 몇 가지의 기본 파라미터를 기반으로 처리할 수 있다. 속도·토크·작동주기 등이 이에 해당한다. 이 중 속도와 토크는 그 형태가 매우 분명하다. 하지만 작동주기라는 요소는 상대적으로 불명확하다. 제조업체들은 자사의 크기선정 프로그램에 열역학적 계산을 포함하는 방식으로 이 문제를 해결한다.
열역학적 계산의 기본적인 핵심 요소는 모터가 작동하는 시간 및 작동하지 않는(비 작동) 시간이 얼마나 되는지에 달려있다. 이는 궁극적인 성능 한계와 모터의 열평형(Thermal Equilibrium)에 대처하려는 시도의 일환이다.
장치가 최대 온도에 다다르게 되면 더 이상의 출력을 내지 못한다. 이 경우 작동주기가 낮으면 열을 제거할 수 있는 시간이 있는 한 막대한 첨두 전력(Peak Power)을 만들 수 있다. 대부분의 모터에 팬을 설치해 냉각을 하는 이유이다. 최근에는 많은 공급업체들이 기존과 유사한 크기의 제품으로도 더욱 많은 전력을 생성하기 위해 강제공랭 또는 물 냉각 방식을 사용하고 있다.
2. 전기모터가 가지고 있는 궁극적인 한계는 절연 시스템 그 자체에 있다. 최근 몇 년 동안 폴리이미드수지 등을 탑재한 고온·절연처리 제품들이 증가한 이유이다.
하지만 영구자석 모터는 고온·절연처리 제품이 자석의 점진적 성능 저하를 야기하여, 시간이 지남에 따라 모터 출력을 저하시킬 위험이 있다. 이러한 문제에서 가장 까다로운 부분은 도무지 예측 내지 판단을 할 수 없다는 점이다. 장비의 축(Axis)을 중심으로 토크 하락(Roll Off)을 확인하기 위해 직접적으로 토크를 측정할 수 있는 저렴한 방법은 아직까지 없다. 업체들이 과열 등을 막기 위해 모터 제어 회로에 점차 복잡한 제어 알고리즘을 설계하고 있는 이유이다.
3. 환경적 측면을 보면 상황은 더욱 복잡해진다. 오늘날 여러 주요 산업분야는 각자의 고유한 요구사항을 가지고 있다. 이는 모터 설계에 상당한 제약을 불러온다. 예를 들어 땅 속을 파내려가야 하는 석유 및 가스 분야에서 활약하는 모터는 침수로 인한 높은 압력과 고온에서의 작업 그리고 물리적인 패키징 문제 등 다양한 측면에서의 압박을 받게 된다. 오늘날 항공우주·반도체·자동차·석유 및 가스·식품 산업 등 여러 분야에서 사용하는 기계들은 저마다 전기모터에 독특한 성능 및 기능을 요구한다.
이러한 요구사항은 끝없이 다양하다. 그래서 제조업체에가 사용자의 요구사항을 충족하고 대량생산을 유지하기란 결코 쉬운 일이 아니다. 비용 효율과 응용사례에 필요한 요구사항을 충족하는 것 사이의 균형을 맞추는 작업이 첨예한 쟁점으로 남아있는 이유다. 하지만 이는 향후 모터와 드라이브 기술을 진보시킬 절호의 기회이기도 하다.
