메디컬 분야에 최적화한 소형 스테퍼 모터

Lin Engineering

의료 애플리케이션에서 장비가 제대로 작동하지 않으면 경우에 따라 사람들의 생명이 위태로워 질 수도 있다. 엔지니어는 의료 기기용 스테퍼 모터를 선정할 때 특정 중요 요소에 중점을 두어야 한다.

예를 들어, 수축기 펌프는 높은 정확도와 작은 공간을 요구하며 실험실에서 사용되는 혈액 샘플러는 매우 조용해야 한다. 스테퍼 모터의 요구 사항은 장치마다 다르지만 항상 고려해야 할 몇 가지 주요 요소가 있다.

설치 공간

‘소형화’는 많은 산업에 있어 지속적인 관심사로 최근 몇 년간 주요 트렌드 중 하나다. 의료 장비도 기하급수적으로 작아짐에 따라 장비에 맞는 장치를 작게 설계해야 하는 어려움이 커졌다.
스테퍼 모터 제조업체는 다양한 NEMA 프레임 크기를 준수한다. NEMA 표준은 모터를 장치에 장착하는 데 사용되는 전면 플랜지의 크기를 포함한 모터 크기를 규정한다.

스테퍼 모터의 NEMA 크기는 NEMA-8에서 NEMA-42까지다. 0.8인치 전면 플랜지가 있는 NEMA-8 모터는 약 2~3온스며 4.2인치 전면 플랜지가 있는 NEMA-42 모터는 2,000온스 이상의 토크를 출력한다.

휴대용 장치 또는 가정용 장치에 모터를 적용해야 할 경우, NEMA 기준에는 장치를 작동하는 데 필요한 충분한 토크 또는 속도 등에 관한 필요한 사양이 명시 되어 있지 않다.

의료 기기 제조업체가 대형 프레임 스테퍼 모터를 사용하지만, 이는 다른 모든 구성 요소의 크기가 축소돼야 한다는 의미다. 이 축소된 공간에서의 모션 제어 문제가 엔지니어로써 항상 겪어야 하는 어려움이다.

NEMA-6 크기 모터는, 과거에 몇몇 제조업체에서 하이브리드 스테퍼 모터를 만들려고 시도했지만 대부분 실패했다. 이는 NEMA-6 의 프레임 크기가 너무 작아서 애플리케이션에 필요한 성능을 제공할 수 없음을 나타낸다.

하이브리드 모터

의료 애플리케이션에서는 대부분의 경우 공간 제약을 받는다. 따라서 모터가 작을수록 설계 엔지니어에게는 훨씬 좋다. 소형 모터는 작동 중에 적은 전력을 필요로 하므로 에너지 비용이 절약된다. 소형 모터에도 여러 단점이 있는데 그 중 모터 토크 감소가 가장 큰 단점이다. 작을수록 비용이 적게 든다고 생각할 수 있지만 작고 정확한 모터를 만드는 데 비용이 더 많이 든다. 즉 설계 엔지니어가 절충안을 찾아야 한다는 의미다.

Lin Engineering(Morgan Hill, CA)은 혁신적인 설계 방법을 통합하여 모터 크기를 줄이면서 동시에 토크를 증가시켰다. NEMA-6 하이브리드 스테퍼 모터는 여러 관련 분야에서 경험이 있는 엔지니어들이 맞춤으로 설계했다. 이 팀은 현장 테스트를 거쳐 하이브리드 스테퍼 모터 기술을 성공적으로 개발할 수 있었으며, 고속에서 요구되는 동적 토크 전달과 높은 수준의 정확도를 제공했다.

스텝 각도를 일반적인 1.8° 에서 3.46°로 증가시킴으로써 Lin Engineering은 경쟁사에 비해 유지 토크를 거의 2배 달성했다. 기존의 유사한 크기인 영구 자석 스테퍼 모터(0.5 oz-in) 보다 유지 토크의 약 4배(최대 2.1 oz-in에서) 달성해냈다.

일반적인 PM 모터는 회전 당 약 20스텝(18°의 스탭 각도)를 제공한다. 3.46° 모터는 일반적인 PM 모터보다 5.7배 높은 해상도를 제공할 수 있다. 높은 분해능은 애플리케이션에서 대한 높은 정밀도로 직접 변환되어(PM 모터의 단점을 개선한) 하이브리드 스테퍼의 이점을 증명했다. 스텝 각도의 이러한 변화에 추가로 낮은 관성 회전자 설계를 통해 모터는 거의 8,000rpm에서 1 oz-in 이상의 동적 토크를 달성할 수 있어 표준 브러시리스 DC 모터와 유사한 속도 성능을 제공한다.

길이는 의료 기기에 모터를 장착하는 데 중요하다. NEMA 표준은 길이를 고려하지 않는다. 길이는 모터 제조업체마다 다를 수 있으며 재설계 및 업그레이드에 따라 변경될 수 있다. 하이브리드 스테퍼 모터는 고객의 요구대로 정확하게 길이를 조정할 수 있다.

일반적으로, 스테퍼 모터에는 표준 사각 플랜지가 제공되며 브래킷에 장착된다. 그러나 일부 모터, 특히 모듈식 모터의 경우 수요가 많은 맞춤형 하우징이 있다. 예를 들어, 휴대용 지방 흡입 장치는 흡입을 생성하기 위해 스테퍼 모터가 필요했다. Lin Engineering은 모듈식 모터 설계를 사용하여 모터 장착 나사가 필요 없는 플라스틱 하우징으로 성형했다. 공간을 절약하고 휴대하기에 편하도록 장치를 작게 만들었다.

정확도 유지

스테퍼 모터는 회전한 각 스텝을 1.8°, 0.9° 또는 심지어 0.45° 씩 증분 할 수 있다. 이것은 모터가 갖는 자체의 스텝이다. 마이크로 스텝시, 모터는 움직임마다 더 미세한 모션을 한다. 0.9° 모터는 0.45° 마다 움직일 수 있다. 이를 하프스테핑이라고 한다. 그리고 64 마이크로 스테핑 모터는 0.9°를 각각 0.014°의 64스텝으로 나눈다. 마이크로 스테핑은 일반적으로 드라이버 전자 디바이스에 의해 수행된다.

모든 스테퍼 모터에는 약간의 스텝 오차가 있기 때문에 엔지니어는 가능하면 오차가 가장 적은 모터를 선택하게 된다. 스텝 오차는 arc min 단위(1 arc min = 0.0167°)로 측정한다. 64 마이크로 스테핑에서 0.9° 스테퍼 모터의 일반 평균 오차가 0.075°(4.5 arc min)인 반면, Lin Engineering의 0.9° 스테퍼 모터는 평균 0.025°(1.5 arc min)이다.

저소음

스테퍼 모터는 프로그램이 지시하는 위치에서 정지할 수 있다. 특정 속도에서 스테퍼 모터는 공진하고 큰 소음으로 흔들릴 수 있다. 이 소음은 모터 고유의 공진 주파수가 회전 주파수와 일치함으로 인해 발생한다. 공진 주파수는 모터가 움직이는 각 스텝마다 발생된다.

모터의 소음을 제거하거나 감소시키는 방법이 있다. 스테퍼 모터의 공진 속도를 결정하는 두 가지 주요 요소는 토크 강성과 관성이다. 모터의 토크 속성을 변경하면 공진 점이 저속 또는 고속으로 이동한다. 드라이버의 전원 공급 장치의 전압 또는 드라이버의 전류를 변경하면 된다. 이 값 중 하나를 증가시키면 공진 주파수는 더 높은 속도로 이동한다. 모터의 부하 관성을 변경하면 공진 주파수는 이동함으로 스테퍼 모터의 후면에 댐퍼를 추가하면 된다. 공진의 스위트 스폿(sweet spot)이 충분하면 모터가 이를 감지하지 못하므로 노이즈가 줄어든다.

모터 소음은 기계적 문제, 전기 문제 또는 잘못된 모터 사용을 포함한 다른 원인으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 요소 중 첫 번째 요소로써는, 모터의 엔드 캡 내부에 장착되어 샤프트에 설치되는 전방 및 후방 베어링이다. 대부분의 소음이 있는 모터는 모터 제조업체의 조립 공정 결함과 모터 부품의 치수 공차로 인해 후면 캡의 베어링이 제대로 장착되지 않은 것이 분명하다. 소음이 없는 작동이 중요한 경우, 모터 제조업체에 엔드 캡의 베어링 내경에서 특정 공차를 유지하고 중요 치수 관리에 대한 방법을 문의해야 한다.

전기적 노이즈는 들리지 않지만 애플리케이션 내의 오실로스코프 또는 기타 전기 장치에서 볼 수 있다. 전기적 소음은 스테퍼 모터의 저항과 모터의 불량으로 인한 인덕턴스의 불균형으로 인해 발생할 수 있다. 고품질의 전선을 사용하는 제조업체의 모터를 선택해야 하거나 또는 모터를 굵은 전선으로 제작하도록 요청해야 한다.

견고한 전선은 이중코팅으로 보호돼있다. 전선을 감을 때에 흠집이 나더라도 두 코팅이 모두 손상될 위험이 거의 없다. 잘못된 애플리케이션 또는 사용자가 필요한 토크보다 더 큰 토크의 모터를 선택할 때 장치는 더 높은 진동과 소음을 낸다. 일반적으로 엔지니어는 애플리케이션의 요구보다 토크가 20%정도 더 높은 모터를 선택해야 한다. 그 이상 더 높은 토크는 과잉이다.

전반적 품질

신뢰할 수 있는 스테퍼 모터를 찾을 때, 엔지니어는 종종 모터가 특정 사이클 수 동안 지속될 수 있도록 MTBF(mean-time-between-failure, 평균 고장 간격) 데이터를 요청한다. 스테퍼 모터는 일반적으로 20,000시간 이상의 연속 작동 MTBF를 갖는다.

스테퍼 모터 온도가 50°C 미만으로 유지되는 상태에서 베어링의 정격 축 방향 및 경 방향 하중 이하에서 작동하는 경우, 일반적으로 50% 듀티 사이클을 가정할 때 스테퍼 모터는 20년 동안 지속된다.
따라서 환자의 눈을 수술하거나, 중요한 체액을 펌핑하거나 또는 다른 유형의 의료 애플리케이션에 모터를 적용할 때 모터의 크기, 정확도, 저소음 수준, 품질 및 신뢰성을 반드시 확인해야 한다.

자료 제공: Lin Engineering(www.linengineering.com)