전기 모터에 대한 일반적인 정보

Schneider

전기 모터는 두 가지 전류 유형(AC와 DC)으로 작동하도록 여러 가지 모양과 크기로 설계된다. 모든 전기 모터의 공통 목적은 전기 에너지를 기계적 운동으로 변환하는 것이다. 애플리케이션이 범용 표준 전기 모터를 사용하든 또는 특정 모터를 사용하든, 모터는 프로세스에서 정격 온도를 초과하지 않고 적용할 기계의 동적 요구 사항을 충족해야 한다.

모터 부하와 온도 사이의 관계는 간단히 나타낼 수 있다. 부하가 높을수록 모터 작동 온도가 높아진다. 모터의 최대 작동 온도는 부하를 결정한다. 최대 부하는 일반적으로 모터가 공급하는 전력량으로 지정한다.

모터 동력은 hp(마력)이나 W(와트 수)로 표시된다. 1hp은 약 746W이다. 따라서 7.5kW 전기 모터는 10hp 전기 모터와 동일한 작업을 수행한다.
실제 목표는 시간이 지남에 따라 모터의 작업 양을 확인하는 것이다. 시스템에 다른 손실이 없다고 가정하면, 1hp 모터는 550lb 무게를 1ft-lb/sec이나 550ft-lb/sec으로 들어 올린다. 그러나 마찰과 열 때문에 생긴 기계적 손실은 그 수치를 낮춘다.

국제 측정 시스템에서 힘은 N(뉴턴)과 m(거리)으로 측정된다. 따라서 1kW 전기 모터는 1,000N-m/sec를 전달한다.

따라서 전기 모터를 선택할 때 중요한 첫 단계는 토크 특성과 시간 대 속도 특성을 결정하는 것이며, 추가로 고려할 요소는 작업 목표와 사용할 수 있는 전원과 비용이다.
전기 모터 사이징에서 기동과 구동 토크 매개 변수를 결정해야 한다. 기동 토크는 모터 회전을 시작하고 속도를 높이는 데 필요한 토크의 양이다. 구동 토크는 일정한 rpm을 유지하는 데 필요한 토크이다.

기동 토크는 전부하(정해진 조건에서 어떤 회로에 걸릴 수 있도록 설계된 최대의 부하)의 일부부터 전부하 토크의 몇 배 값까지 여러 종류가 있다. 이런 변화는 부하 조건의 변화나 전기 모터가 설치된 기계의 특성에 기인한다.

전부하 현상은 윤활제나 움직이는 부품의 마모나 그밖에 다른 요인 때문에 발생한다. 전기 모터가 가속을 얻으려면, 모터로 공급되는 토크는 시작에서 최고 속도까지 요구되는 것보다 커야 한다. 전기 모터의 예비 토크가 클수록 가속도가 높다.

많은 모터 구동 시스템은 기어 샤프트의 회전 속도를 줄이기 위해 기어 감속기를 사용한다. rpm이 떨어지면 구동 샤프트에서 토크가 증가한다.

여기서 T는 샤프트 토크이고 N은 rpm 단위의 샤프트 속도이다.
전동 모터에 필요한 가속 토크를 계산하는 것은 회전하는 구성 요소 값을 공통 베이스 차원으로 줄이는 것을 뜻한다. 부품 관성은 드라이브 샤프트에서 같은 값으로 변환된다. 부하의 등가 관성 W2K22는 다음과 같다.

여기서 W1K12는 부하 관성 lb-ft2, N1은 부하 속도(rpm), N2는 전기 모터 속도(rpm)이다.
전동기 부하가 회전 운동이 아닌 직선으로 구동되는 경우가 있다. 이때 캠이나 케이블, rack-and-pinion 메커니즘은 모터의 회전 운동을 직선 거리로 변환한다. 이들 전동기 부품에 대해, 등가 WK2은 다음과 같다.

여기서 W는 부하 가중치(lb), S는 fpm 단위의 변환 속도, π는 상수 pi, N은 rpm 단위의 회전 속도이다.

가속 시간

전기 모터의 가속 시간은 총 관성에 정비례하며 전기 모터 토크에 반비례한다. 가속 토크가 일정한 전기 모터의 경우 가속 시간은 다음과 같이 주어진다.

여기서 WK2은 lb-ft2 단위의 회전 관성, (N2 - N1)는 속도 차이, Tx는 lb-ft 단위의 가속 토크이다.
속도가 빨라지는 동안 가속 토크가 선형이 아닌 경우 근사법으로 전기 모터의 가속 시간을 찾는다. 계산 방법은 전동기와 구동 기계의 속도 대 토크 곡선을 별개의 세그먼트로 나누고, 가속 시간은 각 세그먼트와 시간을 더해서 계산한다.

정격 전력

토크와 회전 속도를 기초로 한 전기 모터 동력의 가장 일반적인 방정식은 다음과 같다.

여기서 hp는 모터의 마력, T는 ft-lb 단위의 토크, N은 모터 rpm이다.
때때로 전기 모터의 부하는 일정하지 않지만 정의된 사이클을 따른다. 이때 구동 기계에 대한 마력 대 시간 곡선의 그래프가 일반적으로 도움이 된다. 시간 곡선 그래프는 피크와 RMS(root-mean-square) 마력을 결정한다. RMS 마력으로 전기 모터의 정격을 확인할 수 있다.

최고 부하는 모터에 가해지는 최대 부하를 식별하지만, 반드시 전기 모터 크기를 결정하지는 않는다. 예를 들어 최대 요구 전력이 14hp인 모터는 연속 운전에 8hp만 필요하다. 최대 요구 전력이 오래 유지되려면 10hp의 모터가 작업 부하를 문제 없이 처리해야 한다. 모터 크기를 결정하는 요소는 최대 부하 대 듀티 사이클이다.

듀티 사이클

적절한 크기의 전기 모터를 선택하는 것은 부하가 안정적인지, 가변적인지, 반복적인 변동 주기를 따르는지, 맥동(pulsating)하는 토크나 충격이 있는지에 따라 다르다.
예를 들어, 팬과 송풍기의 전기 모터는 몇 시간 또는 며칠 동안 연속 작동하므로 연속 부하를 기준으로 선택한다. 그러나 자동 제어식 압축기나 펌프와 같은 장치의 전기 모터는 시간당 여러 번 작동한다. 일부 기계 공구의 전기 모터는 분당 여러 번 작동하고 멈춘다.
듀티 사이클은 전체 on-off 주기에 대한 모터 가동 시간의 비율이다. 일부분만 작동하는 모터의 듀티 사이클은 100% 작동할 때보다 작다.

여기서 dc는 듀티 사이클이고, Ton은 가동 시간이며, Toff는 가동 중지 시간이다. 그러나 이것은 실제와 다르다. 모터를 작동시키면 보통 더 큰 전력이 소비돼 모터의 온도가 더 빨리 높아진다. 끊임없이 시작하고 정지하는 모터는, 많은 시작/정지 사이클로 발생되는 여분의 열을 처리하도록 연속 부하보다 높은 정격이 필요하다.

대부분의 전기 모터의 경우, 전류는 발생한 토크에 거의 정비례한다. 일정한 속도에서 토크는 마력에 비례한다. 현저히 강화되는 전기 모터의 부하와 과부하를 가속하기 위해 등가 마력이 부하율로 쓰인다. 다음으로, 전기 모터의 크기 결정을 위해 전동기의 성능 데이터를 조사한다. 전동기가 기계 정지 마찰을 극복하고 최대 주행 속도로 부하를 가속하며, 최대 과부하를 처리할 만큼 시동 토크가 충분한지 확인한다.

전기 모 과부하율을 곱하면 과열 없이 전기 모터가 과부하가 얼마나 걸리는지 계산할 수 있다. 일반적으로 과부하율은 전기 모터에 허용되며, 때로는 과부하를 처리한다.
정격 터는 과부하율을 가진다. NEMA 표준 MGI-143은 AC모터의 과부하율을 ‘정격 마력에 적용할 때 과부화율에 따라 수행하는 허용 마력 부하를 나타내는 승수’로 정의한다.

즉, 전기 모터의 정격 마력에데이터의 온도 상승 수치로 과부하 허용량이 결정된다. 이 수치는 항상 최대 부하량으로 표시된다. 예를 들어, 과부하율이 1.15와 1.25인 2개의 100hp 모터는 각각 대기 온도보다 90°C 온도 상승을 나타낸다. 1.25 과부하율을 가진 모터는 다른 모터보다 높은 정격 과부하율로 생성된 열을 처리한다.

효율

모터의 효율은 출력을 전원 입력으로 나눈 비율이다. 이것은 입력 전기 에너지를 기계적 운동으로 얼마나 잘 변환하는지를 나타낸다.

모터 샤프트 출력 단위가 마력일 때, 마력 정격에 746을 곱해서 출력을 와트로 변환한다. 소형 범용 전기 모터는 일반적으로 약 30%의 효율을 갖는다. 반면 3상 모터는 95% 이상의 효율을 달성한다.

전동기는 여러 영역에서 효율을 떨어뜨린다. 많은 경우에 구리, 철, 누락, 기계 따위에 손실을 가져온다. 전기 모터의 효율은 실제 전기 모터 부하 대 정격 부하에 따라 달라진다. 최고 효율은 정격 부하에서 발생하고, 부하가 부족하거나 과부하 상태에 들어서면 급격히 떨어진다. 따라서 적절한 크기의 모터를 선정해야 한다.

여러 제조업체의 유사한 모터와 효율이 상당히 다를 수 있으므로 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)는 ‘NEMA Premium 에너지 효율 등급’을 정했다. NEMA Premium 표준을 달성하는 것은, 모터가 해당 유형과 크기로 NEMA에서 규정한 최소 효율 등급을 충족함을 뜻한다.

AC모터

AC모터는 고정자와 회전자로 구성된다. 고정자는 회전자 주위에 회전 자기장을 생성한다. 회전자는 고정자나 모터의 고정 부분이 생성한 회전 자기장으로 회전을 시도한다.
회전 자기장을 생성하는 가장 쉬운 방법은 3φ 전력이다. A, B, C로 표시된 세 단계는 모두 120°의 위상 차이가 있다. 모터 회전 방향은 ABC 또는 ACB 단계의 순서로 표시된다. 서로 120° 떨어진 3개의 자기 코일에 적용하면 3개의 위상이 회전 자기장을 생성한다. 자기장이 모터에서 회전하는 속도를 동기 속도라고 한다.

AC모터는 2상이나 단일 상을 사용해 회전 자기장을 생성한다. 2개 이상의 위상으로 회전 자기장을 생성하는 모터는 혼상이나 다상 모터라고도 한다. 회전자와 회전 자기장이 잘 일치하도록 관리하면, AC모터의 주요 분류인 동기와 비동기 작동을 식별할 수 있다. 교류 모터의 동기 속도는 인가된 교류의 주파수와 모터의 위상당 극 수로 계산된다. 동기 속도(NSYNC)는 다음과 같이 계산된다.

여기서 NSYNC는 동기 속도(rpm), f는 주파수(Hz), PPH는 모터의 위상마다 있는 극의 수이다. 따라서 60Hz AC 전원에서 동작하는 4상 3극 AC모터의 동기 속도는 1,800rpm이다.
AC모터는 회전자 rpm이 모터의 동기 속도와 일치할 때 동기라고 한다. 비동기 모터의 rpm은 동기 속도와 다르다. 이 차이를 모터 슬립(Slip)이라고 하며 일반적으로 동기 속도의 백분율로 표시된다.

이 방정식에서, NSYNC는 모터의 동기 속도이고 NTRUE는 모터가 회전하는 실제 rpm이다. NSYNC가 NTRUE와 일치하면 슬립이 0%인 동기 모터이다. 그러나 대부분의 AC모터는 동기 속도보다 낮은 속도로 작동하며, 이것을 비동기 모터라고 한다.
예를 들어 이전의 4극 모터는 1,725rpm의 성능을 유지하고 있다. 이때 동기 속도가 1,800rpm이라면 슬립은 다음과 같다.

유도 AC모터

AC 유도 모터는 가장 일반적인 형태의 비동기 모터이며 매우 단순하고 견고하다. 유도 모터의 회전자는 도체를 수용하는 슬롯이 있는 적층된 원통형 철심으로 구성된다.
가장 많이 쓰이는 회전자 유형은 주조 알루미늄 도체와 단락 엔드 링(end ring)이다. 도체가 주변의 회전자 코어가 없는 것처럼 보일 때 스퀴럴 케이지(squirrel-cage)와 비슷하게 보인다.

그 때문에 스퀴럴 유도 모터로도 알려졌으며, 농형 유도 전동기(전기 모터)라고 한다. 고정자의 회전 자기장이 고정된 회전자로 전류가 차단되면, 전압이 회전자의 전도체 내에 생성된다. 전압은 회전자에 전류가 흐르게 하고 고정자의 회전 필드와 상호 작용하는 자기장을 생성해 회전자가 회전하게 한다.

회전자 속도가 증가하면, 자기장이 회전자의 전류를 차단해 속도를 떨어뜨려 유도된 회전자 전류가 감소한다. 회전자가 동기 속도와 일치하면 자기장은 회전자에 전류가 흐르지 않게 한다. 회전자는 평형에 도달할 때까지 느려진다.

표준 AC모터

AC모터의 구조는 토크, 전류, 전부하 속도에 영향을 준다. AC모터의 발전과 표준화로 4가지 기본 유형의 AC모터가 탄생했다.

디자인 A와 B

정상 시동 토크, 전류, 낮은 슬립을 갖춘 범용 AC모터이다. 분수 마력 다상 AC모터는 일반적으로 설계 B이다. 다상 AC모터는 설계 B의 강하 특성으로 단상 AC모터와 동일한 최대 토크를 생성한다. 또한 최대 부하 토크에 대해 단상 AC모터처럼 동일한 속도 토크 점에 도달하지 못한다.
전부하 속도 비교 데이터를 획득하기 위해 하강 토크를 높여야 한다.

디자인 C

정상 시동 전류와 낮은 슬립으로 시동 토크가 크다. 설계 C 모터는 시동 시 분리형 부하는 높지만 대개 정격 전체 부하에서 작동한다.

디자인 D

슬립이 높으며, 낮은 시동 전류로 높은 시동 토크를 낸다. 그러나 전체 부하 속도는 낮다. 높은 슬립 때문에 하중이 변동하면 속도가 크게 달라진다. 슬립이나 속도 토크 곡선 그래프의 모양에 따라 여러 그룹으로 세분된다.

디자인 F

시동 토크와 시동 전류 모두 슬립이 낮다. 낮은 잠긴 회전자 전류(low locked-motor current)를 얻도록 제작돼, 부하 시 모터가 최대 정지 상태가 되도록 한다. 회전 없이 토크가 작동해서 토크 모터라고도 한다. 잠긴 회전자와 하강 토크는 모두 낮다. 일반적으로 AC모터는 시동 토크가 낮고 도달한 주행 속도에서 높은 과부하가 없는 곳에서 쓰인다.

권선-회전자 AC모터

스퀴럴 케이지 AC모터는 속도와 토크를 제어할 수 없지만, 특수 권선 회전자 AC모터는 이를 제어할 수 있다. 스퀴럴 케이지 AC모터가 모터 권선으로 교체돼 회전자 어셈블리의 슬립 링으로 만들어진 권선에 연결된다. 회전자 권선을 사용하는 중에 저항을 주면 모터의 특성을 변경할 수 있다.

권선-회전자 AC모터는 회전자 회로의 2차 저항으로 작동한다. 모터 rpm이 올라가면 저항이 차례로 감소해 속도와 토크가 최곳값이 된다. 따라서 권선-회전자 AC모터는 잠긴 회전자 전류를 제한하는 한편 토크를 크게 발생시킨다. AC모터 저항은 속도 저하, 빈번한 가속, 큰 관성 부하 상태에서 계속 작동할 때 발생하는 열을 지속적으로 없애도록 설계된다. 외부 저항은 AC모터의 매우 작은 부하 변화에도 rpm을 크게 떨어뜨린다. AC모터 속도는 정격 속도의 약 50%까지 떨어져도 사용할 수 있지만 효율은 낮다.

다단계 AC모터

고정자 권선에서 리드를 물리적으로 연결하면 AC모터의 극 수와 속도를 변경할 수 있다. 60Hz AC모터의 일반적인 듀얼 동기 속도는 3,600/1,800rpm(2/4극), 1,800/900rpm(4/8극), 1,200/600rpm(6/12극)이다.
다단계 AC모터는 다음 부하 특성 중 하나에 따라 마력을 출력한다.

가변 토크

가변 토크 AC모터는 속도의 제곱으로 속도 토크가 변한다. 이를테면 1,800rpm에서 10hp를 내는 1,800/900rpm 전기 모터는 900rpm에서 2.5hp를 낸다. 2배 속도로 4배 출력이 가능하다. 원심 펌프, 환풍기, 송풍기 등에서 하중은 정사각형이나 큐브의 속도로 달라지는 토크 조건을 가지므로 이 AC모터가 적합하다.

일정한 토크

일정 토크 AC모터는 모든 속도에서 똑같은 토크가 발생한다. 따라서 속도에 비례해서 출력이 변한다. 예를 들어, 1,800rpm으로 10hp를 내는 AC모터는 900rpm에서 5hp를 생성한다. 이 AC모터는 믹서, 컨베이어, 컴프레서같이 일정한 토크가 요구되는 애플리케이션에 쓰인다.

일정한 마력

속도에 반비례하는 토크로 모든 속도에서 똑같은 마력을 낸다. 예를 들어, 1,800rpm으로 10hp를 내는 모터는 900rpm에서도 10hp을 내지만 토크 값은 두 배이다. 일정한 마력 AC모터는 드릴과 선반, 밀링 머신과 같은 공작 기계에 쓰인다.

단상 AC모터

단상 AC모터는 다상 모터처럼 회전 자기장이 없다. 그러나 단상 모터는 유도와 회전의 조합으로 일단 작동되면 계속 회전한다.
문제는 모터 회전을 시작하는 방법에 있다. 주권선 외에도 단상 AC모터에는 보통 시동 권선이 있다. 시동 권선의 목적은 회전 자기장을 만들어 회전자의 회전을 시작하는 것이다. 회전자가 충분한 rpm에 도달하면 시동 와인딩이 끊어지거나, 와인딩에 흐르는 전류가 초기 시동 값에서 변경된다.

단상 적분 마력이 더 낮은 마력 범위이지만 모든 단상 AC모터는 분수 마력 유형이다. 단상 AC모터 유형은 시동 와인딩 연결로 구분된다. 일반적인 유형은 분할 위상, 용량성 시작, 영구 분할 커패시터,용량성 시작/용량성 작동, 셰이딩 전동기(shaded pole motor)다.

동기식 AC모

동기식 AC모터는 본질적으로 회선 주파수와 절대 동기로 작동하는 정속 전기 모터이다. AC 스퀴럴 유도 모터와 마찬가지로, 속도는 자석의 극 쌍의 수로 결정되며 늘 회선 주파수 비율을 갖는다.

동기 AC모터에서, 스퀴럴 유도 모터나 권선 회전자는 직류 전류로 발생한 동력 회전자 권선으로 대체된다. 직류 전류는 회전자에 자기 극성을 생성한다. 회전자는 고정자에서 자기장의 극성에 잠기고, 똑같은 방식으로 회전한다.

동기식 AC모터는 서브-분수(sub-fractional) 자려식 장치(self-excited units)부터 큰 마력의 산업 드라이브용 직류 전류형 AC모터에 이르기까지, 여러 크기로 제조된다.
산업용 부하에 적용되는 큰 마력 크기로, 동기식 AC모터는 두 가지 중요한 기능을 수행한다. 첫째, AC모터는 AC 에너지를 효율적으로 기계 전력으로 변환한다. 둘째, 동기식 AC모터는 회전자 와인딩에 의한 지나친 여기(excitation)로 유도력이나 단위 역률로 작동하므로 역률을 보정할 수 있다.

동기식 AC모터 사용 시 주의할 사항은 다음과 같다. 동기식 모터는 유도 모터로 시작해야 한다. 모터에는 여기가 공급되고, 동기 단계에서 회전자를 잠그기 전에 동기 속도에 거의 도달한다. 이는 동기식 모터가 일종의 시동 메커니즘을 가지며, 다른 AC모터들과 마찬가지로 전원선에서 시작할 수 없음을 뜻한다. 일반적인 시동 순서에서는 회전자 여기를 제거하고 권선을 합선시켜 모터를 권선 회전자 설계로 전환한다. 회전자 권선의 단락이 제거되고 여기가 적용되면, 모터는 동기 속도에 도달할 때까지 이 조건에서 시작된다.

모터 스타터와 드라이브

모터에 전원을 공급하면 작동을 시작한다. 그러나 크로스 라인 스타터(cross-line-starter)는 여러 가지 문제가 발생한다. AC 전원 시스템에 많은 부담을 주고, 모터의 출력 샤프트에 모터 커플링과 샤프트를 손상할 수 있는 과도한 토크를 발생시킨다. 또한 접촉기에서 아크 현상으로 과도한 간섭을 발생시킨다. 모터 크기가 커지면 이러한 문제가 급격히 높은 빈도로 발생한다.

초기의 모터 시동 시스템 중 하나는 시동 중에 돌입 전류를 제한하기 위해 모터 AC 전력선에 전류 제한 저항을 적용했다. 모터가 충분한 속도로 회전하면 저항기는 시스템을 차단한다. 저항기는 전력을 소모하므로, 모터가 반복해서 멈추고 시동되는 경우 과열을 방지하기 위해 방출해야 했다.

전자 모터 제어는 또 다른 해답을 제시한다. 모터가 정상 작동해 속도가 올라가면 점차 전력을 인가하도록 제어 장치를 프로그래밍할 수 있다. 이 작업을 수행하는 모터 컨트롤러는 소프트 스타트 컨트롤러이다.

AC모터 제어 장치는 AC모터 애플리케이션에 사용됐다. 그러나 DC 모터는 수년 동안 가변 속도 시장에 영향을 받았다. 이는 더 높은 전력 전압과 전류를 처리하기 위해서 반도체 소자의 다양한 기능에 따라 변화하기 시작했다.

AC모터의 회전 속도는 전압보다 인가된 전력의 주파수 함수에 가깝다. AC모터는 감소한 전압에서 작동한다. 그러나 동일한 주파수에서 모터 슬립은 과열되고, 실제 rpm과 동기 rpm의 차이는 커진다. 파워 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)과 같은 고전력 반도체 소자는 설계자가 가변 주파수 모터 드라이브를 개발할 수 있도록, 모터가 전력선 주파수를 줄이고 저전압으로 구동할 수 있게 한다.

현재 모터 드라이브는 몇 개의 전원 MOSF를 써서 AC 유도 모터를 위한 3φ AC 전원을 형성한다. 따라서 60Hz AC 전원 케이블은 원하는 전압을 얻기 위해 임의의 주파수로 변환할 수 있다.

서보 메커니즘을 위한 모터

서보 메커니즘 모터(서보모터)는 기계적 속도, 위치, 기타 매개 변수를 제어하기 위해 피드백이나 오류 수정 신호를 쓰는 장치에 전원을 공급하는 모터이다.
피드백이나 에러 신호는, 측정할 수 있는 신호로 제어하는 파라미터를 변경하는 엔코더로 제공된다. 간단한 서보 메커니즘에서 측정된 신호는 서보 메커니즘의 의도된 동작을 나타내는 목푯값과 비교된다. 측정된 신호와 목표한 신호가 일치하지 않으면 오류 신호가 발생한다. 그리고 서보모터로 전송되어 메커니즘을 원하는 위치로 이동시킨다.

오늘날 두 가지 유형의 전기 모터가 DC 카운터파트(counterpart)로 빠르게 성장하고 있다. AC 서보모터와 스테퍼 모터가 바로 그것이다. 스테퍼 모터는 서보모터의 한 형태이다. 서보모터라는 용어는 DC와 AC모터의 스테핑 유형이 아닌 것을 위해 쓰여왔다. 스테퍼 모터는 스텝 모터라고도 한다.

AC 서보모터는 기본적으로 동기 모터이다. 그러나 대부분의 동기식 모터의 회전자에서 사용되는 와이어 코일은 영구 자석으로 대체됐다. 자석은 회전자가 모터 스테이터로 발생된 자기장의 회전과 함께 똑같거나 동기적으로 회전하게 한다. 회전자의 자기장을 차단할 수 없으므로, 모터 컨트롤러는 회전자 자석의 회전 위치와 극성을 알아야 한다. 이에 따라 스테이터의 자기장 극성을 조정해야 한다. 고정자 주변의 적당한 위치에 배치된 홀 센서는 회전자 자기장을 감지한다.

초기 교류 서보모터는 페라이트(ferrite, 자성 재료의 하나) 회전자 자석을 썼으나, 새로운 시스템은 네오디뮴과 사마륨 코발트와 같은 희토류로 만든 자석을 쓴다. 희토류 자석은 똑같은 크기의 페라이트 자석보다 자기장이 몇 배나 강하므로 더 작고 강력한 모터를 만들 수 있다.

스테퍼 모터는 회전자 어셈블리에 영구 자석도 쓴다. 그러나 자석은 다수의 개별 N/S극점으로 종결된다. 극 수는 50, 100 또는 그 이상이 가능하다. 극은 일반적으로 두 개의 서로 다른 고정자 코일 권선으로 나뉜다. 작동 시 회전자의 자극은 스테이터의 자기장과 정렬돼 회전자를 원하는 위치에 고정한다. 모터는 고정자 권선에 전원이 공급되거나 끊어지면서 이산 단계를 써서 한 위치에서 다음 위치로 이동한다. 모터의 위치는 알려진 위치에서 시작해서 단계 수를 계산해 결정한다. 따라서 엔코더 필요성을 없앤다.

가장 일반적인 스테퍼 모터는 50(7.2°/step)과 100(3.6°/step), 400(0.9°/step) 단계가 있지만 1회전(1.8°/step)을 완료하려면 200단계가 필요하다. 스테퍼 모터는 마이크로 스테핑 영역에서도 작동한다. 마이크로 스테핑 영역에서는 전체 단계가 후속 마이크로 스텝으로 분해된다. 최대 250마이크로 스텝/풀 스텝을 도출하므로 1회전을 완료하는 데 최대 51,200스텝이 필요하다.

스테퍼 모터의 구조는 기존의 서보모터보다 저렴한 가격으로 모터를 생산한다. 스테퍼 모터는 튜닝이 필요 없고 더 큰 관성 불일치를 허용하며 높은 토크 밀도를 갖는다. 이 토크는 시동 직후에 100% 이용할 수 있으며, 짧은 순간 이동이나 높은 관성 부하에 연결될 때 유리하다. 스테퍼 모터는 자석의 극 수가 많은 동기 모터이므로 코깅 없이 매우 느린 속도로 부드럽게 작동한다.

스테퍼 모터 기술에는 몇 가지 단점이 있다. 가장 큰 단점은 큰 부하가 모터의 용량을 초과하면 동기화와 토크가 손실된다는 것이다. 높은 관성 부하는 스텝 펄스가 주어지면 회전자가 슬립되거나 전진하지 않는다. 또한 상전류(phase current)가 부하와 관계가 없으므로 스테퍼 모터에 과열이 발생할 수도 있다.

스테퍼 모터는 적용된 부하가 모터의 요구 토크를 발생시키는 능력을 초과할 경우 재시동 능력을 상실한다. 모터가 제대로 회전하기 시작하는 토크 곡선의 영역을 ‘끌어당기기 영역(pull-in region)’이라고 한다. 이 영역에서는 부하로 동기화가 끊어지면 모터가 자동으로 시동된다.

이와 같은 동기화 손실을 극복하기 위해 여러 기술이 개발됐다. 스테퍼 모터에 필요한 회전 정도는 필요한 단계 수로 계산한다. 예를 들어, 볼 리드 스크루에 부착된 400스텝/회전 모터는 원하는 위치에 도달하기 위해 50회전이 필요하다.

즉, 컨트롤이 이동을 완료하기 위해서 20,000단계를 실행해야 한다. 그러나 높은 부하는 회전자 슬립으로 모터가 실제 스텝 수를 감소시킨다.
모터가 실제로 수행하는 단계의 수와 명령된 단계의 수를 비교한다. 이로써 모터 컨트롤러는 추가 단계를 입력해 회전자를 적절한 위치로 가져온다.
이런 시스템에는 회전자 위치를 모니터링하는 엔코더가 필요하다. 회전자의 실제 위치가 사전 설정된 범위 내에서 원하는 위치와 동일하거나 초과하면, 컨트롤러가 동기화 손실을 방지하기 위해 작동한다.

고정자의 자기장 회전을 회전자와 동일한 속도로 ‘느리게’ 하거나 ‘가속’해서 회전자, 고정자 리드, 지연이 일정 범위 내에 있도록 한다. 거의 모든 경우에 2단계 미만으로 진행되거나 지연되는 것을 뜻한다. 고정자 속도의 변화는 명령된 모터 속도나 부하 요구 사항이 변경될 때까지 혹은, 모터가 명령된 속도로 충분한 토크를 생성할 때까지 계속된다.
가변 전류 제어 기능(제어기가 이동하는 데 필요한 위상 전류의 양만 공급하도록 하는 것)을 도입하면 성능과 효율이 증가한다. 모터 가열을 최소화하면서 시스템 효율을 높일 수 있다.

통합 시스템

모터 컨트롤이 증가하는 추세는 지능형 모터 제어라는 명목으로 모터, 위치 엔코더, 컨트롤러를 자체 패키지에 통합한 시스템이다. 초기 디자인은 세 가지 장치를 모두 분리했다. 장치의 기능이 일치하지 않으면 문제가 발생할 수 있다.

컨트롤러와 모터를 통합해 불일치 가능성을 제거한다. 통합 시스템에는 전원과 통신 신호가 필요하다. 통신 신호의 유형은 RS-422/485, CANopen, Modbus, EtherNet/IP, 이더넷 Powerlink, EtherCAT, Modbus-TCP, Profinet, DeviceNet, SERCOS III 등 형태가 다양하다.

모터 작동과 동기화는 모터와 프로그래머블 로직 컨트롤러와 같은 마스터 제어 시스템 사이에서 전송되는 디지털 데이터 신호로 수행된다. 특정 기능을 실행하는 명령을 보내고, 이를 수행하기 위해서 PLC나 PAC가 모터의 제어기에 내장돼 있다. 분산 제어 시스템은 중앙 제어 지점에서 모든 작업을 실행하는 것보다 응답이 빠르고 정확하다.
오늘날 급성장하는 통신 프로토콜 중 하나는 이더넷 프로토콜이다. 많은 통합 제어 시스템은 다른 통합 모터 제어 시스템과 표준 컴퓨팅 시스템과의 호환하기 위해 표준 8C8P 커넥터(RJ-45라고도 함)와 Cat-5/6 케이블을 사용한다.

이더넷은 비결정적인 프로토콜이다. 즉, 두 장치 사이에 네트워크로 전송되는 서로 다른 정보가 도착하는 데 요구되는 시간이 다르다. 그러나 이더넷 프로토콜은 매우 빠르므로 지연이 최소로 발생해 다중 모터에서 거의 실시간으로 동기화된다.

자료 제공: Schneider(www.imshome.com)