최적의 리니어 모터 선택 가이드: 속도·힘·온도까지 정확히 계산하는 방법

어플리케이션의 신뢰성 있는 작동과 긴 수명을 보장하 려면, 요구 사항에 가장 적합하고 이상적으로 부합하는 리니어 모터를 선택하는 것이 중요하다. 이 기사의 내용은 리니어 모터를 계산하고 선택할 때 고려해야 할 주요파라미터를 파악할 수 있도록 도와준다. 이를 통해 FAULHABER의 포트폴리오에서 프로젝트에 적합한 리니어 드라이브를 찾을 수 있다.

어플리케이션에 적합한 리니어 모터 계산 방법
 

리니어 모터를 계산하고 적절한 드라이브를 선택하기 위해서는 요구되는 모터의 크기뿐만 아니라 해당 어플리케 이션에서 모터가 얼마만큼의 출력을 낼 수 있고 또 내야 하는지도 파악해야 한다. 따라서 초기 단계에서 속도프로파일을 명확히 설정하는 것이 필수적이다. 이 프로파일을 바탕으로 필요한 피크 힘과 연속 힘, 그리고 리니어 모터 내 온도 상승 등을 계산할 수 있다. 전문가들은 리니어 모터 선택을 위한 주요 파라미터를 단계별로 어떻게 산정하는지를 다음과 같이 설명한다.

1. 속도 프로파일
 

축이 어플리케이션 내에서 수행하는 다양한 하중 이동을 반영한 유의미한 속도 프로파일은 리니어 모터 선택의 기본이 된다. 이프로파일에 필요한 운동 특성을 결정하기 위해서는 다음 네 가지 질문에 먼저 답해야 한다.

• 최대 속도는 얼마인가?

• 질량에 필요한 가속도는 얼마인가?

• 질량이 이동해야 할 거리(이동 거리)는 얼마인가?

• 정지 시간(휴지 시간)은 얼마나 되는가?

이 데이터를 바탕으로, 해당 어플리케이션 상황에 맞는 리니어 모터의 개별 속도 프로파일을 계산할 수 있다. 특별한 조건이 없는 경우, 일반적으로 사용되는 속도 프로파일은 삼각형(triangular) 또는 사다리꼴(trapezoidal) 형태이다. 아래의 어플리케이션 예제에 서는 사다리꼴 속도 프로파일을 기준으로 계산이 이루어진다.

어플리케이션 예시: 이번 예시에서는 총 500g의 질량을 20° 경사의 경사면 위에서 100ms 안에 20mm 이동시켜야 한다고 가정한다. 이 어플리케이션에 적합한 리니어 모터를 선택하기 위해 사다 리꼴 속도 프로파일을 적용하여 계산을 진행한다.

상세 보기: 항목 ①에 대한 속도 및 가속도 계산

2. 피크 힘과 연속 힘
 

피크 힘은 동작 사이클 동안 발생하는 최대 힘을 의미한다. 반면, 연속 힘은 리니어 모터가 지속적인 작동 중에 낼 수 있고또 내야 하는 힘을 나타낸다. 선택한 모터가 장기적인 사용뿐 아니라 일시적인 하중 피크에도 적합한지 확인하려면, 리니어 모터를 선택할 때 피크 힘과 연속 힘을 사전에 계산해보는 것이 바람직하다. 피크 힘은 다음 공식을 사용하여 계산된다.

연속 힘은 다음 공식을 사용하여 계산된다.

어플리케이션 예시: 500g의 하중과 마찰 계수 0.2를 가진 리니어 모터를 계속 가정할 경우, 이 어플리케이션에서는 다음세 가지 힘이 기본적으로 발생한다.

상세 보기: 항목 ①에 대한 마찰력 및 가속도력 계산

프로파일의 세 부분에 해당하는 힘이 모두 파악되었으므로, 다음 단계에서는 리니어 모터에 필요한 피크 힘과 연속 힘을 계산할 수 있다.

이 두 값을 바탕으로 이제 해당 어플리케이션 사례에 적합한 리니어 모터를 선택할 수 있다. 이에 따라 이 어플리케이션 예제에 대한 리니어 모터 선택 계산은 다음과 같다.

3. 코일 권선의 온도
 

리니어 모터의 성능을 보장하고 전체 시스템의 긴 수명을 유지하기 위해서는 올바른 코일 구동이 필수적이다. 이때 핵심적으로 고려해야 할 요소가 바로 코일 권선의 온도다. 코일이 연속 운전 중 과열되면 저항이 증가할 뿐만 아니라, 코일이 타버릴 위험성도 높아진다.

리니어 모터 선택을 위한 연속 힘을 이미 계산했다면, 코일에서의 온도 상승도 반드시 함께 검토 하는 것이 바람직하다. 온도를 계산하기 위해서는 연속 전류, 전기 저항, 전체열 저항, 환산 열 저항 등의 파라미터들이 필요하다.코일 권선의 온도는 항상 연속 운전을 기준으로 계산된다. 즉, 일상적인 작동 환경에서 장기간 부하가 걸리는 상황을 고려한 것이며, 위의 모든 값은 정격 운전 조건에 해당한다.

어플리케이션 예시: 이번 예제에서는 힘 상수 kFk_FkF 값을 연속 힘 기준으로 6.43 N/A로 가정한다. 이를 바탕으로 모터의 연속 전류를 계산하면 다음과 같은 값이 도출된다

전기 저항이 13.17 Ω이고, 전체 열 저항이 23.2 °C/W(Rth1 + Rth2), 그리고 환산 열 저항 Rth2가 55%(0.45 · Rth2)일 경우, 이를 바탕으로 정격 운전 시 코일 온도는 다음과 같이 계산된다.

4. 실사용 테스트
 

리니어 모터를 선택할 때 철저한 사전 준비와 정밀한 계산이 필수적이지만, 결국 아무리 정교한 계산도 실사용 테스트를 완전히 대체할 수는 없다. 리니어 모터의 작동에 영향을 미치는 다양한 환경적 요인은 실제 어플리케이션에서 비로소 드러나는 경우가 많기 때문이다.

따라서 구매 결정을 위한 준비를 시작할 때부터, 계획 중인 어플 리케이션의 모든 파라미터를 문서화하는 것을 권장한다. 여기에는 리니어 모터 선택의 기초가 되는 모든 계산값도 포함되어야 한다. 이러한 방식으로, 선택한모델과 실제 적용 조건 사이의 잠재적인 불일치를 더 쉽게 파악할 수 있으며, 요구 사항에 정확히 부합하는 리니어 모터를 더욱 신속하게 찾을 수 있다.

자료제공: Faulhaber(www.faulhaber.com)