리니어 액추에이터 성능 평가의 핵심은 ‘열 제한’

리니어 액추에이터는 다양한 산업 분야에서 핵심 구동 요소로 사용된다. 그러나 실제 설계에서는 Force-Speed 곡선만으로 액추에이터 성능을 판단할 경우 예상보다 낮은 성능이나 시스템 문제가 발생할 수 있다. 이 기사에서는 통합형 서보 리니어 액추에이 터의 성능 곡선의 성능 평가 방법을 살펴본다.

표준 모터 기반 성능 곡선의 한계

대부분의 통합형 액추에이터에서 사용되는 연속 Force/ Speed 곡선은 일반적으로 서보 모터의 연속 회전 토크와 RPM 곡선을 기반으로 생성된다. 이 값들은 스크류의 리드 (lead)와 효율(efficiency)을 이용해 선형 단위로 변환된다.

τ : 모터에서 스크류로 전달되는 입력 토크(Nm)

F : 출력 힘 (N) / L : 스크류 리드 (mm/rev)

e : 스크류 효율 (볼 스크류 약 90%, 롤러 스크류 약 70%)

V L : 선형 속도 (mm/s) / V R : 회전 속도 (rpm)

이러한 계산은 순수한 연속 회전 시스템을 기준으로 한다. 그러나 실제 선형 시스템에서는 왕복 운동, 가속과 감속, 스크류 에서 발생하는 추가적인 열, 스크류의 열적 한계 등 다양한 요소가 작용한다. 따라서 모터 데이터를 기반으로 한 성능 곡선은 통합형 액추에이터의 이론적 성능을 보여줄 뿐이며, 실제 시스템 성능을 완전히 반영하지는 못한다.

보다 정확한 성능 평가를 위해서는 추가적인 시스템 매개변 수와 제한 조건을 함께 고려해야 한다. 이러한 요소를 고려하면 액추에이터 성능 곡선은 적용 조건에 따라 서로 다른 형태로 나타난다.

<표> 통합형 액추에이터 성능 곡선 비교

▲ 열적 한계를 고려한 성능 곡선은 통합 액추에이터 시스템의 전체적인 성능 범위를 종합적으로 보여준다.

보다 정확한 성능 곡선 개발

성능을 보다 정확하게 표현하기 위해서는 먼저 실제 운전 조건 에서 발생하는 기계적 손실 요소를 고려해야 한다. 예를 들어 왕복 운동 과정에서 발생하는 가속 및 감속에 따른 손실이 포함 되며, 이러한 동작 빈도는 스트로크 길이에 의해 결정된다.

이러한 손실 요소를 반영하면 성능의 최대 한계는 낮아질 수있지만, 통합형 액추에이터의 실제 동작 성능을 보다 현실적으로 예측할 수 있다.

다음으로 선형 운동을 구동하는 스크류의 특성을 고려해야 한다. 스크류는 100% 효율을 갖지 않으며, 작동 과정에서 열을 발생시켜 시스템 전체의 열 발생에 영향을 미친다. 또한 모터의 고정자 권선(stator windings), 자기 코어(magnetic core), 그리고 기계적 구성 요소에서도 열이 발생한다.

스크류는 일반적으로 모터보다 열적 한계가 낮기 때문에, 스크류 특성이 시스템 전체의 열 제한을 결정하는 요소가 된다. 이러한 낮은 열 제한 범위 내에서 액추에이터를 운전하면 스크류를 보호하고 예상되는 L10 수명 감소를 방지할 수 있다. 특히 롤러 스크류는 볼 스크류보다 효율과 열적 한계가 낮기 때문에 이러한 제한 요소의 영향이 더 크게 나타날 수 있다.

이러한 요소들을 반영하면 성능 곡선은 열 제한(Thermally limited)을 기준으로 작성되며, 시스템 성능을 보다 정확하게 시각적으로 표현할 수 있다. 이러한 열 제한 기반 성능 분석은 반복적인 왕복 동작이 많은 포장 장비, 자동 조립 라인, 물류 자동화 시스템 등에서 특히 중요하게 적용된다.

▲ Force/Speed 성능 곡선 비교 – 표준(Standard, 빨간색), 기계적 제한 (Physically limited, 주황색), 열 제한(Thermally limited, 녹색)

액추에이터 사이징

여러 제조사들은 자사 액추에이터 제품을 위한 전용 사이징 소프트웨어를 제공하고 있다. 또한 ServoSoft와 같은 범용 사 이징 소프트웨어는 다양한 공급업체의 제품 데이터를 기반으로 모션 시스템을 분석할 수 있도록 지원한다.

ServoSoft는 최대 스트로크와 힘, 속도와 같은 기본적인 기계적 조건뿐 아니라 모터 전압, 연속 토크와 피크 토크, 피크 및 RMS 회전 속도, 모터의 열적 제한 등 다양한 기준을 분석해 애플리케이션 요구 조건을 충족하는지를 평가한다.

한편 Tolomatic의 온라인 사이징 소프트웨어 SizeIt은 이러한 기준에 더해 가속도 제한, 좌굴 하중(Buckling load), 임계 속도(Critical speed), 스크류의 열 제한, 그리고 시스템 전체의 열 제한까지 고려해 보다 상세한 분석을 제공한다.

전문적인 설계를 위한 엔지니어링 도구

제조사가 제공하는 성능 데이터는 엔지니어가 특정 애플리케 이션에서 리니어 시스템의 성능을 예측하는 데 중요한 기반이 된다. 그러나 제조사가 어떤 요소를 고려해 데이터를 제공 했는지에 따라 시스템의 실제 제한 요소를 보다 깊이 검토할 필요가 있다.

특히 모터 기반의 Force-Speed 곡선만으로는 통합형 액추에 이터 시스템에서 발생하는 기계적 손실과 열 제한을 충분히 반영하기 어렵다. 이러한 잠재적인 손실 요소를 함께 고려해야 액추에이터의 실제 성능, 예상 수명, 유지보수 주기, 그리고 고장 위험을 보다 정확하게 평가할 수 있다.

따라서 애플리케이션의 모션 프로파일 정보를 먼저 수집한뒤 이를 종합적인 사이징 소프트웨어에 입력하는 것이 바람 직하다. 이를 통해 엔지니어는 통합형 액추에이터의 성능 특성과 시스템 복잡성을 보다 정확하게 이해할 수 있다.

또한 설계 초기 단계에서 제조사와 협력해 시스템 요구 조건을 명확히 정의하면 보다 정확한 데이터를 확보할 수 있으며, 이는 최종 설계에서 비용과 성능 간 균형을 최적화하는 데에도 도움이 된다.

결국 통합형 리니어 액추에이터의 성능을 정확하게 평가하기 위해서는 단순한 모터 성능 곡선이 아니라 시스템 전체의 기계적·열적 조건을 함께 고려하는 접근이 필요하다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)