치과용 전동 핸드 툴에 적용된 BLDC 모터의 역할과 진동 제어
▲ 치과용 핸드 툴의 브러시리스 DC 모터와 치아 제어 기술을 강조한 이미지 (이미지 출처: 챗GPT)
전동식 핸드 툴의 도입으로 현대 치과의 환경이 재편되고 있다. 수술용 도구와 마찬가지로 치과용 핸드 툴도 본질적으로 전동식으로 전환되고 있으며, 일정한 속도와 토크 출력으로 인해 공압 구동식 대체품으로 꾸준히 선호도가 높아지고 있다. 이러한 고속 전동 공구는 충치 치료, 보철 작업 및 시술, 치아 복원, 크라운 및 베니어 준비, 수술 치과 등 다양한 치과 시술에서 필수적인 도구가 됐다. 이 기사에서는 치과용 전동 핸드 툴에서 소형 브러시리스 DC 모터의 역할과 BLDC 모터의 진동을 제어할 수 있는 다양한 방법을 중점적으로 다루기로 한다.
치과용 핸드 툴에서 소형 BLDC 모터가 사용되는 방법
치과 시술에 필요한 복잡한 작업을 수행하기 위해 전동 핸드 피스에는 탁월한 효율성, 신뢰성 및 정밀 제어를 위해 특별히 선택된 소형 브러시리스DC(BLDC) 모터가 장착되어 있다. 이모터는 유지보수 필요성을 최소화하고모터 수명을 연장하는 전자식 정류로 인해 기존 DC 모터보다 크게 발전한 모터이다.전동 치과용 핸드 툴에 이상적인 BLDC 모터의 5가지 주요 특징은 다음과 같다.
1. 효율성: 브러시리스 DC 모터는 탁월한 효율성을 제공하여 손실을 최소화하면서 입력 전력을 최대한 활용할 수 있다.
2. 최소한의 유지보수: BLDC 모터는 전자식 정류를 활용하므로 브러시와 정류자를 사용하는 브러시 DC 모터보다 수명이 더 길다.
3. 정밀한 제어: 브러시리스 DC 모터의 정밀한 속도 제어 기능 덕분에 치과의사는 다양한 부하에서도 안정적인 속도를 유지할 수 있으며, 이는 다양한 시술 중 정확성을 유지하는데 매우 중요하다.
4. 가변 속도 제어: BLDC 모터의 설계 덕분에 가변 속도 제어를 쉽게 구현할 수 있어 치과의사가 특정 치과 시술 요건에 따라 핸드 툴의 속도를 변경할 수 있다.
5. 높은 토크: BLDC 모터는 높은 전력 밀도를 제공하여 작은 공간에서 향상된 출력 토크를 제공한다.
예를 들어 Portescap의 16ECS36, 16ECP36 및 12ECP48 브러시리스 DC 모터는 전동 치과용 핸드 툴의 요구 사항을 충족하는 데 매우 적합하다. 이 모터는 정격 전압 24V에서 3만RPM에서 7만 3000RPM에 이르는 속도를 제공하며, 전력 효율이 90%에 가까워 고속 요구 사항에 이상적이다. 또한 16ECS36은 컴팩트한 외형에 높은 전력 밀도를 제공한다. 22ECS60 및 22ECS45 BLDC 모터와 같은 22mm 직경의 모터는 최대 200회까지견딜 수 있는 오토클레이브 버전으로 제공되므로 공구와 모터를 증기 멸균할 수 있다.
오토클레이브 주기 및 진동
전동 치과용 핸드 툴은 환자마다 멸균 과정을 거치기 때문에 오토클레이브가 가능하고 지정된 횟수의 사이클을 견딜 수있는 내구성을 갖춘 디자인이 필요하다. 오토클레이브는 이러한 도구를 멸균하는 데 사용되는 표준 방법으로, 각 환자가 사용하기 전에 박테리아, 바이러스 및 기타 병원균을 제거한다. 이 프로세스는 기구를 고온 고압 증기에 노출시키는 원리로 작동한다. 오토클레이브는 다양한 사이클 옵션을 제공하며, 가장 일반적인 사이클은 20분 동안 135°C의 증기 온도에 도달하고 0.5bar 진공에서 2bar의 압력을 가하는 것이다.모든 재료가 혹독한 환경을 견딜 수 있는 것은 아니기 때문에 반복적인 고압 멸균 처리는 치과용 핸드 툴에 도전 과제이다. 따라서 최신 전동 기구는 일반적으로 여러 번의 오토클레이브 주기에 대한 복원력을 위해 특별히선택된 재료로 제작된 다. 이러한 기기의 원동력인 모터를 고려할 때, 모터는 목표한 오토클레이브 사이클 횟수를 견딜 수 있어야 한다. 이는 오토 클레이브 중에 발생하는 높은 온도와 압력으로 인해 특정 재료가 서서히 열화되어 소음, 진동, 모터 및 기기 자체의 손상을 초래할 수 있으므로 모터 진동을 고려할 때 특히 중요하다.
BLDC 모터의 진동 제어 방법
진동과 소음 수준을 줄이는 것은 치과용 핸드 툴 설계에서 특히 중요하다. 충치 치료와 같이 민감한 시술을 하는 동안 장시간 사용하는 전문가의 경우 더욱 그렇다. 과도한 진동은 시술중 필요한 정밀한 제어를 방해할 뿐만아니라 환자를 방해하여 불편을 초래할 수 있다. 또한 진동에 지속적으로 노출되면 부품의 마모가 가속화되어 기구의 수명이 단축될 수 있다. 그러나 모터 기술의 발전으로 고품질 브러시리스 DC 모터는 여러 번의 오토클레이브 사이클 후에도 진동을 최소화하도록 설계됐다. BLDC 모터 설계자는 진동 제어를 위해 다양한 기술을 통합할 수 있다.
<그림1> 밸런싱 링을 사용한 로터 밸런싱
로터 밸런싱(ROTOR BALANCING)
로터는 BLDC 모터의 주요 구성 요소로, 제대로 밸런싱되지 않으면 진동을 발생시킬 수 있다. 로터의 밸런싱은 매우 중요한 작업이며, 대부분의 불균형 질량은 일반적으로 자석에서 비롯된다. 이 문제를 해결하기 위해, <그림1>에 표시된 것처럼 샤프트에 별도의 밸런싱 링을 부착할 수 있다. 이 링을 사용하면 재료를 제거하여 정밀한 2면 밸런싱이 가능하다. 첨단 밸런싱 기계를 사용하면 로터의 불균형을 거의 0에 가깝게 줄여 거의 완벽하게균형 잡힌 로터를 만들 수 있다. 이렇게 하면 진동의 주요 원인을 효과적으로 제거하여 치과용 전동 기기의 원활한 작동을 보장할 수 있다.
자석과 샤프트 사이의 간격
자석은 보통 접착 과정을 통해 샤프트에 부착된다. 충분한 접착력을 얻으려면 샤프트와 자석의 내경(ID) 사이에 최소한의 간격(공간)이 있어야 한다. 그러나 오토클레이브 사이클은 자석의 접착제 분포에 영향을 미칠 수 있으며, 이로 인해 자석이 샤프트에서 약간 편심되어 진동이 증가할 수 있다. 이 문제를 완화하기 위해, 모터 설계자는 자석의 내경을 정렬하고 안내 하는 계단식 샤프트 설계를 선택하여 접착제 분포를 위한 보다 균일한 표면을 제공할 수 있다. 이러한 설계 방식을 통합하면 모터 축과 자석의 정렬을 유지하는 데 도움이 되어 불필요한 진동을 줄일 수 있다.
<그림2> 자석 및 샤프트 조립의 예
볼 베어링 그리스
볼 베어링 그리스는 증기의 높은 온도와 압력으로 인해 증발 하거나 그 특성을 잃는 경우가 많다. 그리스가 줄어들면 볼 베어링의 소음과 마찰이 심해져 치과용 핸드 툴의 부드럽고 조용한 작동에 악영향을 미친다. 설계자는목표한 오토 클레이브 주기 동안 최적의 성능을 보장하기 위해 제조업체의 지침에 따라 적절한 볼 베어링 그리스를 선택하는 데 특별한 주의를 기울여야 한다.
<그림3> 볼 베어링 방사형 플레이 및 예압 그림
볼 베어링 방사형 클리어런스 및 예압
고정자는 베어링을 사용하여 로터 샤프트를 지지하며, 일반적으로 고속 및 방사형/축 방향 하중을 수용하기 위해 BLDC 모터에 깊은 홈 볼 베어링을 사용한다. 그러나 볼 베어링은 본질적으로 모든 베어링 크기에 걸쳐 제조업체가 지정한 특성인 레이디얼 유격이 있다. 이 방사형 유격은 사소한 것처럼 보이지만 모터 진동에 큰 영향을 미칠 수 있다. 불균형한 질량은 베어링의 방사형 유격 내에서 편심 회전하는 전체 로터 질량과 동일하기 때문에 큰 진동이 발생할 수 있다. 이 문제를 완화하기 위해 볼 베어링은 최적의 예압으로 프리로딩을 거친 다. 프리로딩은 자유 방사형 유격을 감소시키고 소음 감소 및베어링 수명 증가와 같은 추가적인 이점을 가져다 준다. 설계 자는 오토클레이브 사이클 이후에도 프리로딩 무결성을 유지 하는 방법을 통합한다.
댐핑 재료
치과용 핸드 툴의 모터는 고속으로 작동하기 때문에 추가적인 진동 감소 기술이 필요하다. 설계자는 고무 O링이나 와셔와 같은 진동 감쇠 부품을 추가하여 베어링 지지력을 향상시킬 수 있다. 진동 감쇠 부품에 사용되는 재료의 선택은 목표하는 오토클레이브 사이클 수에 따라 결정된다. 고온의 증기와 압력 하에서 많은 고무 재료는 탄성 특성을 잃고 소성 변형이 일어나 진동 감쇠 효과에 영향을 미친다. 그러나 기술의 발전 으로 인해, 설계 엔지니어들은 오토클레이브 환경에서도 특성을 유지할 수 있는 실리콘과 탄화불소 고무와 같은 합성 고무 재료에 접근할 수 있게 됐다.
<그림4> 진동 감쇠 그림
부식에 대한 자석 보호(도금, 코팅, 슬리브)
자석은 재질 특성상 증기에 노출되면 녹이 슬기 쉽다. 녹이 슬면 작은 입자가 자석 표면에서 떨어져 나가 로터 불균형을 증가시켜 진동을 증가시킬 수 있다. 설계자는 다양한 유형의 도금 또는 코팅을 포함하여 자석 녹을 방지할 수 있는 몇 가지 옵션이 있다. 금속 슬리브를 사용하여 자석을 감싸서 증기에 노출되지 않도록 보호할 수도 있다.
다른 진동 제어 방법
BLDC 모터 제조업체는 중요한 설계 요소도 신중하게 고려해야 한다. 여기에는 증기 침투를 방지하기 위한 효과적인 밀봉 메커니즘 구현, 고온·고압·고습도를 견딜 수 있는 재료 선 택, 적절한 전기 절연 보장, 탄력적인 전자장치 사용, 효율적인 열 발산 촉진 등이 포함된다. 이러한 측면을 고려함으로써 BLDC 모터는 멸균 가능한 응용 분야의 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있으며, 치과용 수공구에서 신뢰할 수 있고 지속적인 성능을 제공할 수있다.
결론
모터 진동은 전동 치과용 핸드 툴에서 중요한 역할을 하며, 술자와 환자의 편안함, 툴의 수명, 유형에 영향을 미친다. 진동의 주요 원인인 모터의 특성은 기구의 성능에 큰 영향을 미치 므로 설계 엔지니어는 진동을 완화하기위해 모터의 설계와 기술 유형을 신중하게 평가해야 한다. 오토클레이브 사이클에 노출되는 공구는 진동이 증가하여 공구 수명에 영향을 미치는 경향이 있다. 앞에서 설명한 다양한 방법을 통해 모터 설계 단계에서 진동 제어를 해결하는 것이 필수적이다.
자료제공: Portescap(www.portescap.com)
