유압 실린더에서 전동 액추에이터로 설계를 변경하기 위한 올바른 이해

Thomson

전동 액추에이터는 견고하고 안정적인 작동과 간단한 설치 그리고 저렴한 비용으로 기계 제어와 생산성을 빠르게 향상했다.

비포장도로용 장비 제조업체는 펌프와 호스, 밸브를 제거해 차량을 더 작고 가볍게 만들고 소음을 줄이기 위해, 유압 실린더를 전동 액추에이터로 교체했다. 또한 제어 시스템과 관련해 인터페이스 유연성으로 새로운 기능을 제공했다. 이를테면 전동 액추에이터는 여러 위치에서 지정된 횟수의 사이클링 같은 복잡한 동작을 할 때 차량 컨트롤러와 쉽게 인터페이스 한다. 이로써 비포장도로용 장비의 성능과 생산성을 향상한다.

전동 액추에이터의 장점은 매해 5,000lbs의 정하중과 3,000lbs까지의 동적 부하가 있는 애플리케이션에서 실현된다. 유압 실린더는 높은 부하나 100% 듀티 사이클에서 부하를 움직일 때 필요하다. 그러나 장점이 많은데도 잠재적인 애플리케이션(OEM과 최종 사용자)에서 전통 액추에이터를 채택하는 일이 늦어지는 경우를 살펴본다. 또, OHV와 기계 장치에 전동 액추에이터를 적용하는 것을 다룬다.

1. 전동 액추에이터는 열악한 환경에서 사용할 수 없다?

유압 기술은 수십 년 동안 비포장도로용 차량에 쓰였다. 강한 충격과 진동, 먼지, 물, 부식성 화학 물질, 잠재적인 위험이 있는 환경에서 내구성이 뛰어나다. 또한 유압식 액추에이터는 다른 전기 제품보다 출력 밀도가 높다. 이 밖에도 유압 액추에이터의 출력 밀도는 시스템의 압력에 크게 좌우되는 단점이 있지만, 지난 10년 동안 안전과 비용을 이유로 개선되지 않았다.

반면에 같은 기간에 전기 모터의 출력 밀도는 자성 재료, 리드 스크루와 볼 스크루 효율, 제조 기술, 전자 기술의 진보로 증가했다. 주요 장점은 높은 효율성을 유지하면서 더 많은 전력을 공급하는 것이다. 전동 액추에이터 애플리케이션의 요구 사항에 최적화된 기어 박스 디자인으로 전력 전송이 개선됐다. 결과적으로, 전동 액추에이터는 많은 응용 분야에서 뛰어난 출력 밀도를 제공해 설치하기 간단하며 차량의 무게가 많이 줄어든다.

비포장도로용으로 설계된 전동 액추에이터는 열악한 환경을 견딜 수 있다. 본체는 하중 처리 성능을 최적화하기 위해 유한 요소 해석을 사용한다. 전동 액추에이터 설계는 모듈식 어셈블리를 쓰는 방식에서 핵심 구성 요소를 충격과 진동으로부터 보호하는 클램셸(clamshell)로 캡슐화하는 방식으로 진화했다. 다축 진동 테스트와 분석은 기계 하중을 견디는 전동 액추에이터 능력을 입증한다. 모터 제어 장치 연결에 사용했던 케이블을 제거하고, 제어 시스템 케이블 연결 커넥터를 하우징에 성형하는 방법으로도 개선됐다.

이 같은 방법으로 밀봉해 모터 연결을 안전하게 한다. 대체로 비포장도로용으로 설계된 오늘날의 전동 액추에이터는 유압 액추에이터만큼 견고하다.

2. 전동 액추에이터는 유압 액추에이터만큼 신뢰할 수 없다?

엔지니어는 신뢰성 문제가 있었던 이전 세대의 전동 액추에이터 때문에 유압 액추에이터를 신뢰한다.

그러나 현재 전동 액추에이터의 전자 부품과 전기 제품 신뢰성이 크게 향상됐다. 모터나 기어 박스, 리드, 볼 스크루, 클러치로만 구성된 전동 액추에이터는 유압 장치보다 훨씬 간단하다. 유압 시스템에는 저장 용기와 펌프, DC 모터, 모터 릴레이, 솔레노이드 밸브, 체크 밸브, 유압 실린더, 푸시 버튼 스테이션과 같이 많은 부품이 있다. 전자 기술을 바탕으로 고장 가능성을 최소화해 전동 액추에이터의 신뢰성은 최근 몇 년 동안 향상됐다.

전동 액추에이터는 운영에 유지보수가 필요 없다. 그러므로 유지보수 부족 때문에 문제가 발생할 확률이 훨씬 적다. 유압 시스템의 유지보수는 정기적으로 오일과 필터를 교체하고, 시스템에 항상 충분한 오일이 공급되도록 하는 것으로 시작된다. 거친 비포장도로에서 유압액은 오염될 수 있다. 오염은 시스템에 많은 영향을 끼치고 여러 구성 요소를 손상한다.

단일 유압 시스템이 여러 개의 축을 제어할 경우, 문제 하나가 장비 작동에서 여러 곳에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 한 축의 부하가 높으면 라인 압력이 감소하고 다른 축에 영향을 준다. 또, 라인 파열과 같이 유압 시스템이 손실되면 영향을 받는 축을 수동으로 작동시킬 수 있는 방법이 없는 것도 문제이다.
이와 반대로 최근 전동 액추에이터는 윤활과 유지보수가 필요 없다. 전동 액추에이터는 각기 다른 모터로 모든 축을 개별적으로 구동한다. 애플리케이션의 오류는 단일 액추에이터에만 영향을 미친다. 따라서 문제 해결과 보수가 훨씬 용이하다.

전원이 필요한 로드 홀드 유압(load hold hydraulics) 장치에서, 호스나 밸브가 파열되면 부하를 지지하는 것이 어려워진다. 그러나 액추에이터는 실질적으로 드리프트나 후방 주행 없이 전원이 꺼진 상태에서 무기한 하중을 유지한다. 전동 액추에이터에는 전원 공급 장치나 액추에이터 모터에 문제가 발생할 때 사용하는 수동 버튼이 있다.

3. 전동 액추에이터가 더 비싸다?

유압식은 축을 추가할 때 실린더만 있으면 된다. 반면에 전동 액추에이터는 각 축에 모터와 리드 스크루, 기어 박스가 필요하므로 더 비싸다고 생각할 수 있다. 그러나 유압 실린더는 축을 지지하는 데 필요한 유압 시스템의 구성 요소 중 하나이다. 밸브, 호스, 피팅도 필요하며, 대부분 기존 유압 펌프에 새로운 축을 수용할 여유가 없다.

액추에이터의 경제성은 ‘특정 유압 시스템으로 얼마나 많은 축을작동하는지’에 달려 있다. 보통 전동 액추에이터는 다른 축 처리를 위해 유압 펌프를 저렴한 가격에 추가할 수 있다. 유압 시스템이 1~3개의 동작 축을 작동한다면, 비용이 저렴한 전동 액추에이터로 교체할 수도 있다.
농업 분야에서는 사용하는 유압 포트(hydraulic ports)의 수로 전동 액추에이터와 유압 액추에이터의 비용을 비교할 수 있다. 포트는 각 액세서리에 필요하다. 따라서 포트를 추가할 때 충전 펌프의 추가 용량은 물론, 밸브와 호스, 튜빙, 커넥터도 추가해야 하므로 추가 비용이 든다.

전동 액추에이터는 포트 없이 액세서리를 추가하는 데 쓸 수 있다. 또한 펌프에서 유압 실린더로 호스를 연결하는 데 필요한 재료와 인건비가 발생하지 않으므로 펌프와 멀리 떨어져있는 축의 동작을 효율적으로 이용할 수 있다.

보통 전동 액추에이터의 운영 비용은 유압 시스템보다 저렴하다. 가장 효율적인 유압 시스템조차 지속적인 전력 손실이 발생하지만, 전동 액추에이터는 실제로 작동할 때만 전력이 필요하다. 이런 단순성으로 설치 비용이 크게 줄어든다. 그리고 유압식처럼 오일과 필터를 정기적으로 교체할 필요가 없어서 유지보수에 따른 비용을 절감할 수 있다.

4. 전동 액추에이터는 설계 복잡성을 증가시킨다?

전동 액추에이터가 설계 과정의 복잡성을 증가시킨다는 인식 때문에 현재 비포장도로용 차량에 전동 액추에이터가 많이 쓰이지 않는다.
예전에는 전동 액추에이터를 적용할 때 두 종류의 액추에이터를 사용해야 했다. 또한 비포장도로 장비 엔지니어는 전동 액추에이터 경험이 많지 않았다. 그뿐만 아니라 초기 전동 액추에이터는 모터와 기어 박스, 컨트롤과 같은 다양한 구성 요소를 선택하고 조립해야 했다.

그러나 현재 전동 액추에이터는 유압 액추에이터보다 지정과 설계가 단순화돼 쉽게 적용할 수 있다. 전동 액추에이터는 케이블 두 개와 DPDT 스위치를 연결하는 것만으로 시스템을 통합할 수 있다.
애플리케이션의 액추에이터 크기는 세 단계로 결정된다. 부하를 측정하고 듀티 사이클을 결정하며 스트로크와 후진 길이를 지정한다. 그러나 중간 연결 장치의 영향 때문에 액추에이터의 정확한 하중을 알지 못할 수 있다.

하중은 기계 시스템을 시뮬레이션하는 소프트웨어 패키지나 액추에이터의 로드 셀로 측정해 결정한다. 전동 액추에이터는 기어비와 리드 스크루, 모터, 전자 제어 매개 변수를 변경해 주요 성능 변수를 예측한다. 따라서 제조업체는 모든 요구 사항에 맞게 애플리케이션을 쉽게 구성할 수 있다.

전동 액추에이터는 축마다 액추에이터가 하나씩 필요하다. 따라서 다른 액추에이터와 상호 작용을 하지 않는다. 엔지니어는 설계 중인 축에 전적으로 집중할 수 있다. 반면에 유압 액추에이터의 경우, 엔지니어는 추가로 적용된 축에 대한 전원 공급 중단이 다른 축에 미치는 영향을 고려해야 한다.

전동 액추에이터는 여러 비포장도로용 애플리케이션에서 유압 장치의 효율적인 대안으로 보인다. 오늘날 전동 액추에이터는 유압 액추에이터만큼 견고하고 신뢰할 수 있는 수준으로 향상됐다. 또한 유압 장치의 주요 문제인 오염이나 온도 변화 같은 것에 민감하지 않다. 비용은 일반적으로 1~3축 애플리케이션에서 유압식보다 저렴하다. 마지막으로, 통합 전동 액추에이터는 모든 종류의 비포장도로용 장비를 간편하게 설계할 수 있다.

자료 제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)