리니어 모터를 과열로부터 보호하는 3가지 방법

Tecnotion

열 투입

리니어 모터에 투입되는 모든 에너지가 운동으로 전환되지 않는다. 과도한 에너지는 코일 권선의 자속 손실(flux losses)을 통해 열의 형태로 대부분 소산된다. 모터가 더 많은 힘을 생산하려 할수록 더 많은 에너지를 공급해야 하며, 더 많은 열이 발생한다. 적절한 열전달은 모터가 작동 한계 내에서 유지되면서, 모터가 최대 정격 출력에서 작동하는 데 필수다.

코일이 임계 온도에 도달하면, 열이 그것을 팽창시켜 결국 소손된다. 그리고 단락을 일으켜 하우징과 자석 트랙은 영구적으로 손상된다.
다행히도 약간의 지식과 고려 사항으로 이러한 상황을 쉽게 피할 수 있다.

• 모터 상수(Motor Constant)
모터 상수(N²/W 또는 N/√W)는 리니어 모터의 효율을 나타낸다. 기본적으로 모터 상수가 높을수록 생성되는 힘(N)에 더 적은 열이 발생한다.
• 온도 응답 시간
코일에 발생된 열이 센서에 의해 인지되기까지 걸리는 시간.
• KTY/NTC 온도 센서는 프로토타입에서 엔진의 온도 변화를 모니터링하기 위해 종종 사용된다.

빌트인 KTY 또는 NTC 사용

거의 모든 Tecnotion 리니어 모터에는 온도 센서가 장착되어 있다. 그들은 모터의 온도 변화를 모니터링하는 쉬운 방법을 제공한다. 아이언 코어 모터에는 온도 계수 센서인 KTY83-122가 장착되어 있다. 모터 내부의 온도가 높아지면 더 높은 저항을 나타낸다. 아이언리스 모터에는 음의 온도 계수 센서(negative temperature coefficient sensor)인 NTC가 장착되어 있다. 각각의 특성은 표 1에 나와 있다.

이 센서를 사용하면 현재 코일 온도를 대략적으로 감지할 수 있고,특정 값에 도달하면 적절한 조치를 취할 수 있다. 코일에서 나오는 열이 센서 자체에 도달하기 전에 항상 약간의 지연이 있으므로 ‘대략’ 이라고 표현한다. 따라서, 코일은 실제로 판독 시점에서 조금 더 따뜻하거나 차가울 수 있으며, 손상이 이미 발생했을 수도 있다. 이를 온도 반응 시간(temperature response time)이라고 한다.
이 센서는 프로토타입에 가장 많이 사용된다. 과열로부터 모터를 보호하는 확실한 방법은 아니지만, 코일 온도를 지속적으로 모니터링하는 쉽고 저렴한 방법을 제공하기 때문이다.

빌트인 PTC 사용

일반적인 온도 센서 외에도, 모터에는 PTC가 장착되어 있다. 이 센서는 다른 특성을 가지며 스위치처럼 작동한다. 센서가 섭씨 100도에 도달하면 저항은 급격하게 10kΩ까지 상승한다. 이 특성은 표 2에 나와 있다. KTY나 NTC와 달리, PTC는 코일의 실제 온도를 결정할 때보다 안전장치로 사용한다.

PTC 역시, 과열 시 약간의 지연이 발생한다. 센서가 코일과 같은 온도에 도달하는 데 약간의 시간이 걸리기 때문이며, PTC가 전환되면 이미 모터가 손상되었을 수도 있다.
이 방법은 종종 생산 시리즈에 사용되며 과열로 인한 모터 손상을 방지할 쉽고 저렴한 방법을 제공한다. 그러나 모터 용량의 한계를 극복한 애플리케이션의 경우, 더욱 정확한 접근법이 필요할 것이다.

• 과도 에너지(Transient Energy)
갑작스런 상태 변경으로 시스템에서 짧은 수명의 에너지 분출.

• 과부하 용량(Overload Capability)
리니어 모터에 영구적인 손상이 발생하는 최대 힘 레벨.

• PTC는 안전 스위치로 생산 시리즈에서 가장 많이 사용된다.

컨트롤러 사용

각 모터는 힘의 최댓값을 가지고 있어서, 설계된 열 한계를 초과하지 않고 계속해서 힘을 생성할 수가 있다. 이것은 모터의 연속 전류 정격으로 계산되며 사양 시트에 나와 있다. 이상적인 환경에서, 최대 연속 전류 미만으로 유지되는 동안은 모터가 손상되지 않는다. 실제로, 이것은 모터가 적용되는 애플리케이션에 따라 다르다.

이는 모든 애플리케이션에 사용 가능하거나 현실적이지 않을 수 있다. 그래서 Tecnotion 리니어 모터는 단시간에 최대 연속 전류를 초과하는 일정량의 에너지를 견디는 방식으로 설계되었다. 이것은 정격 전류 정격으로 계산되며, 완전히 멈춘 상태에서 가속하거나 방향을 변경하는 것과 같은 일시적인 상태가 자주 요구된다.

주어진 리니어 모터의 피크 전류는 오로지 과부하 용량만 나타낸다. 모터가 처리하는 초과 에너지의 실제 양은 제공되는 냉각량, 피크 전류 소모 기간, 애플리케이션 구성과 같은 많은 요인으로 결정된다.
이러한 전류 정격을 이용하면, 약간의 계산과 컨트롤러로 모터를 훨씬 더 정확하게 과열로부터 보호한다.

이를 위해서 몇 가지 사항을 알아야 한다.

• 일시적인 상태에서 연속 한도를 초과하여 발산되는 에너지의 양
• 모터의 과부하 기능
• 모터를 사용하면 주변 온도와 코일 온도가 상승함

과도 에너지

권선 저항 R_L을 갖는 기존 모터의 경우, 과도 상태에서 연속 한계를 초과해 발산되는 에너지는 다음과 같다.

  여기서 E_trans는 과도 상태에 필요한 추가 에너지이며, I_trans는 일시적인 RMS 전류이며, I_cont는 모터의 최대 연속 전류 정격이다. R_L은 상수이므로 이를 무시하여 방정식을 단순화할 수 있다.

  E_trans의 단위는 (Ampere 제곱) 초 또는 I²t 이다. 이것은 일시적인 상태가 지속되는 동안 모터의 지속적인 한계를 초과하여 열로 변환될 에너지의 양이다.

과부하 용량

모터의 과부하 용량은 과도 전류에 모터의 피크 전류 정격을 사용하므로 같은 공식을 사용하여 계산할 수 있다.

주변 온도와 온도 상승

이 값은 애플리케이션 자체에 따라 다르며 고정된 것이 아니다. 스스 로 결정해야 한다.

과열 방지

대부분의 최신 컨트롤러를 사용하면 I²t 매개 변수를 설정할 수 있다. 컨트롤러는, 과도 에너지가 피크 에너지를 초과하기 전에 출력 전류를 제한하기 위해, 과열이 발생하지 않도록 한다. 컨트롤러는 최대 과부하 에너지를 초과할 때만 출력을 제한하기 때문에, 과부하 전류가 피크 전류보다 낮으면 더 긴 과부하 조건을 허용한다. 피크 전류보다 높을 때보다 짧은 과도 조건을 허용한다.
센서가 온도 상승을 기록하기 전에 손상이 발생할 수 있으므로, 내장 센서만으로 과열에 보호될 수 없다. 컨트롤러의 I²t 매개 변수를 사용하면 모터의 열은 설계 제한을 초과할 수 없으며, 훨씬 더 보호 기능이 안정적이다.

애플리케이션 예

앰프를 사용하여 UL12N 모터를 구동할 때, 사양 시트에서 다음과 같은 특징을 발견 할 수 있다.

  여기서, 주변 온도 20°C와 초당 20°C의 온도 상승을 가정한다. 피크 전류 사용의 최대 지속 시간을 4.5초로 설정한다(코일은 이 모터의 최대인 110°C에 도달했을 것이다).

  최대 과부하 에너지는 주어진 데이터로 계산될 수 있다.

증폭기의 I²t 파라미터를 815.3으로 설정하면, 하나 이상의 위상이 4.5초 동안 14.1암페어를 수신할 때 전류가 제한된다. 과부하 전류가 14.1A 이상이면 빠르고, 과부하 전류가 14.1암페어 보다 낮으면 전류 제한이 늦게 적용된다.

여기서, 20A로 과부하 된다면 제한 시간은 t₁ 후에 주어진다.

최대 과부하 에너지에 도달하면 컨트롤러는 에너지 양이 균형을 이룰 때까지 출력 전류 레벨을 연속 전류 설정보다 낮춘다. 그런 다음 정상 출력을 다시 시작한다. 이 동작은 표 3에 설명되어 있다.
컨트롤러에 I²t 값을 설정하는 방법은 컨트롤러와 함께 제공된 사용 설명서를 참조하거나 공급 업체에 문의하면 된다.

맺는 말

과열로부터 리니어 모터를 보호하면 해당 애플리케이션을 보호하고, 리니어 모터가 오랫동안 걱정 없이 작동된다.
시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 모터 내부의 온도 변화를 계산할 수 있다. 실제로 모터를 테스트하기 전에 여러 조건에서 실험하여 위험 요소를 없앴다. 웹 사이트에서 시뮬레이션 소프트웨어를 무료로 다운로드 할 수 있다.

자료 제공: Tecnotion(www.tecnotion.com)