브러시리스 모터의 기술 발전 베어링 수명 100,000시간 초과 달성

AMETEK

개요

AMETEK Rotron은 1989년 대형 운송 시장에 브러시리스 모터 기술을 도입했다. 그 이후 모터 기술 개발과 디자인 컨셉 개선으로 제품 성능이 향상됐다. 브러시리스 모터 기술의 장점은 업계에 이미 잘 알려져 있다.

경량과 고효율 그리고 긴 유지 보수가 필요 없어 운송 시설에서 많이 사용하고 있다. 본문에서는 지난 7년 동안 산업체에서 발생한 설계 변경 및 개선에 대한 내용을 소개하고, 홀 효과 전자 장치를 사용한 브러시리스 모터 설계에 대해 이야기하고자 한다.

소개

1998년 1월, 주요 모터 제조업체 AMETEK는 EG&G의 Rotron 사업부를 인수했다. Rotron 운송 제품은 전자기계 그룹에 성공적으로 병합됐다. 이 그룹은 주로 운송뿐만 아니라 여러 시장 부문을 위해 주로 브러시리스 모터를 제조하며, 지속적인 서비스 개선을 위해 추가적인 리소스와 기술을 제공한다.

 Rotron 운송 제품의 개발은 군사 및 항공기 제품의 모터 설계와 경험을 기반으로 하고 있다. 운송 분야에 적용된 제품은 설문 조사와 운송 전문가 그리고 장비 제조업체와의 초기 논의를 기반으로 설계된다. 논의의 핵심은 최소한의 유지 보수로 긴 서비스 수명을 제공하는 제품을 개발하는 것이다.

모터 설계 및 구성

전자 정류형 브러시리스 DC 모터에는 기본적으로 두 가지 구성 방법이 있다. 일반적으로 모든 브러시리스 모터는 자기 회로 형성을 반대로 구성한다. 이것은 브러시 모터의 전기자를 형성하는 코일 권선은 고정되고 영구 자석이 로터를 형성하는 것을 의미한다.

이 구성은 전류 코일을 모터 하우징에 배치함으로써, 여기서 발생된 열이 모터 하우징으로 쉽게 전달돼 대기로 소산될 수 있으며 브러시리스 모터로부터 열을 이동시키는 효율적인 경로를 제공하게 된다. 같은 구성으로 AMETEK은 최대 1.5 마력 수준의 모터를 제조한다(그림1: 위 단면도).

또 다른 구성은, 컵 또는 전도 모터(cup or inverted motor)라고 한다(그림1: 아래 단면도). 이 브러시리스 모터 유형에서 권선 고정자는 영구 자석 내부에 위치한다.

영구 자석은 전기자 주위를 회전하는 컵의 내경에 장착된다. 이 설계 유형에서의 방열은 표준 dc 브러시 모터와 유사하며 일반적으로 온도가 높은 환경에 예민하지 않는 송풍기 응용 제품에 사용된다. 설계 장점은 회전 질량의 대부분이 베어링 중심 내에 위치한다는 것이며, 밸런싱이 훨씬 쉬워서 고속 회전을 가능하게 한다. AMETEK의 송풍기는 최대 1200 와트의 수준까지 가능하다.

처음 개발된 운송 모터는 47프레임 및 64프레임 플랫폼으로, 일반 에어컨과 물 순환 펌프 그리고 기타 애플리케이션에 사용된다. 그림2에 설계 예가 나와 있다. 이전의 모든 설계는 모터 정류에 홀 효과 전자 장치를 사용했다. 홀 효과 설계는 샤프트 엔코더를 사용하여 각 고정자 권선에 전원을 공급함으로써 모터를 운영 속도로 회전시키게 한다.

제상 장치와 히터 그리고 운전자용 부스터 송풍기와 같은 많은 차량 응용 제품에서 낮은 전력이 요구되고 있었으며, 이에 대한 추가 제품의 필요성도 인식하고 있었다. 1995년에는 3인치 모터 디자인을 소개했다.

그림3에 나와 있는 초기 3인치 디자인은 정류를 위해 동일한 유형의 홀 효과 전자 장치를 사용하며, 47프레임 모터에 사용하는 내부 기계 요소로 동일하게 구성한다. 주요 차이점 중 하나는 핀 모터 하우징을 제거하는 것이다. 이렇게 하면 모터의 방열 용량이 줄어들지만 설계 비용도 줄어든다. 3인치 모터는 많은 제상 장치, 히터 및 부스터 송풍기 응용 제품에 잘 통합된다.

최근에는 3인치 모터 설계로 47프레임 모터를 대체하여 고객 제품 비용을 절감할 수 있었다. 3인치 모터의 이후의 디자인에는 홀 효과 스위치를 사용할 필요가 없는 최신 전자 기술이 사용된다. 이것을 센서리스 디자인(sensorless design)이라고 한다.

최신 전자 부품의 가용성으로 인해 고정자의 코일에서 후면 EMF를 감지하고 샤프트 회전 출력을 제공하기 위해 올바른 순서로 권선에 전원을 공급할 수 있었다. 센서리스 모터 드라이버의 개발은 홀 스위치를 수용하기 위한 축 공간이 필요하지 않기 때문에 보다 컴팩트한 디자인을 가능하게 했다.

최근에는 제품 라인을 완성하기 위해 그림3에 나와있는 더 작은 22프레임(1.7인치) 모터를 출시했다. 22프레임 모터는 중장비 운송 시장에서 많이 사용되지 않는다.

새로운 제품 개발, DURATEK 3.0모터

운송 시장을 위한 가장 최근에 개발한 것은 새로운 DurA-tek 3.0(3인치 모터) 플랫폼이다. 이 디자인은 센서리스 전자 장치와 함께 제공되며 열 부하가 크지 않은 중 부하용 운송 분야에 적합하다.

특정 케이블에 신호 전압을 제공하여 최대 4배속 작동을 제공하는 새로운 전자 장치가 통합되어 있다. DurA-tek 3.0은 올해 말 가변 속도 옵션으로 제공된다. 가변 속도 제어는 신호선의 전압 변경으로써 수행된다. DurA-tek 3.0 모터는 그림4에 나와 있다.

DurA-tek 3.0의 주요 장점은 대량 생산 및 자동 조립을 위해 설계된 것이다. 이로 인해 제조 비용이 낮아지고 생산 가격이 낮아졌다.

다른 장점은 DurA-tek 3.0 용으로 개발된 최신 센서리스 전자 패키지가 동일한 전압 범위(표준 3인치 및 47프레임)에서 기존 디자인에 통합 될 수 있다는 점이다. DurA-tek 3.0 전자 드라이브를 사용하면, 기존 제품에서 여러 개의 가변 속도와 전자 모터 드라이브에 대한 제공성을 높이게 된다.

DurA-tek 3.0 모터가 적용된 최초의 신제품 중 하나는 저 유량 브러시리스/씰리스 물 순환 펌프이다. 이 새로운 디자인의 가용성으로, 지금은 그림5와 같은 3개의 펌프를 제공한다. 산업 표준인 47 프레임 펌프(18 gpm)와 64 프레임 펌프(26 gpm) 그리고 새로운 DurA-tek 3.0 펌프(10 gpm)다.

세 펌프 모두의 비교 성능 곡선이 그림6에 나와 있다. 세 펌프 모두 씰리스디자인이며, 펌프 부분은 모터에 자기적으로 연결돼 있다. 이는 유지 보수를 줄이고 가능한 가장 긴 수명을 제공한다. 모터 유지 보수가 필요한 경우, 펌프나 배관을 방해하지 않고 모터를 제거하고 교체할 수 있다.

디자인 표준

모든 브러시 DC모터와 브러시리스 DC모터의 주요 차이점은 유지 보수 문제다. 브러시 모터에서 유지 보수를 하는 가장 흔한 이유는 브러시 교체로서, 일반적으로 매년 필요하다. 두 번째 유지 보수 항목은 정류자 마모이다. 정류자 마모 해결을 위해 주기적으로 분해하여 가공해야 한다.

이것은 2년에서 3년마다 필요하며 약 4~6년 정도면 전기자를 교체해야 할 정도로 마모된다. 브러시 모터의 기계적 고장의 세 번째 원인은 베어링이다. 이때 베어링을 검사하고 교체 할 수 있으므로 심각한 문제는 아니다.

모터 설계

브러시리스 DC모터에서 유일한 기계적 고장 유형은 베어링이다. 이러한 이유로, 브러시리스 모터의 기구 설계에서 베어링 설계가 매우 중요하다. 베어링은 일반적으로 기계적 반복 응력(피로) 또는 윤활 유실(마모)로 인해 고장을 일어난다.

수명이 긴 베어링을 올바르게 설계하기 위해서는 경 방향, 축 방향 및 돌발 하중, 동적 차량 하중 및 장비 균형, 회전 속도 그리고 작동 온도 및 환경 조건을 포함한 다음과 같은 기계적 문제를 고려해야 한다. 베어링 설계에서 모터의 몸체가 금속과 다른 알루미늄인 경우, 베어링을 스테인레스 스틸 슬리브로 지지해야 한다.

이를 통해 기계적 수명이 크게 향상되고 열팽창 차이가 상쇄된다.
분수 및 낮은 마력 모터에 사용되는 베어링은 그리스가 밀봉 또는 차폐되어 베어링 수명과 같이한다. 이런 크기의 베어링을 다시 윤활하는 방법은 없다. 따라서, 그리스 점도 및 윤활 특성을 잃지 않고 작동 온도를 견딜 수 있는 가장 적합한 그리스 윤활유를 선택해야 한다.

오랜 경험에 따르면, 실제 모터 수명을 결정하는 중요 요인은 베어링 윤활이다. 윤활 수명은 기계적 수명보다 훨씬 짧으며 윤활 수명을 40,000시간 이상으로 유지하려면 베어링의 크기를 보다 크게 해야 한다.

이는 베어링에 충분한 윤활 저장 공간을 제공하여 정상적인 작동(40,000시간 이상)을 가능하게 한다. 베어링 수명을 결정하기 위해 실제 작동 조건에서 모터를 가동하는 것은 좋지 않다. 결과적으로 베어링 제조업체는 베어링의 실험실 테스트를 기반으로 계산식을 개발했다.

이 계산식은 실제 베어링 및 모터 수명을 합리적으로 정확하게 제공한다. 다양한 모터 제품에 대한 자체 내부 수명 테스트를 통해 모터가 APTA 사양에 충족하는지 확인한다. 기계적 또는 피로 수명에 대한 실험식은 대부분의 엔지니어링 핸드북에서 찾을 수 있다. AMETEK은 L10 베어링 수명이 100,000시간을 초과하는 베어링으로 모터를 제조한다.

요약

업계는 새로운 64 프레임 모터 플랫폼을 개발하여 신뢰성을 높이고 제조비용을 절감하는 프로그램이 진행 중이다. 베어링 수명을 늘리기 위한 방법과 새로운 재료를 계속 연구하고 있으며 새로운 윤활, 베어링 케이지, 실드, 씰 및 베어링 금속에 대한 조사를 계속하고 있다.

브러시리스 DC 모터 제품을 지정할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

1. 40,000시간의 모터 설계 수명. 베어링 수명의 주요 요인은 그리스 유형, 베어링 크기 및 적절한 베어링 지지이다.

2. 브러시리스 모터의 방열 능력은 고정자 권선이 모터 하우징의 일부일 때 가장 크다.

3. 모터 구조는 대중교통 버스 운행에 견딜 수 있을 정도로 견고해야 한다.

자료 제공: AMETEK(www.AMETEK.com)