낮은 부하영역에서 고속으로 작동하는 선형 액추에이터

Portescap

의료 응용분야에는 낮은 부하대의 고속 작동이 필요하다. 많은 OEM은 이러한 용도로 공압 액추에이터 또는 전기 솔레노이드를 사용하지만 이러한 옵션은 정확한 위치 지정을 제공하지 못한다. 또, 서보 공압 위치 지정 시스템과 같은 더욱 고가의 기술이 사용 가능하지만 고속에서의 정확한 위치 지정은 공압 시스템에서는 여전히 어렵다.

그러나 디스크 자석 모터(DMM) 기술을 사용하는 고속 선형 액추에이터는 센서 이동, 레이저 빔 위치 지정, 전자 부품 장착, XY 테이블의 이동 및 기타 응용분야 등 저부하 응용분야에 맞는 뛰어난 선형 속도를 제공하다. 전기 DMM 선형 액추에이터는 조용한 작동 소리와 저렴한 작동/유지 관리 비용 덕분에 고속 저부하 응용분야에서 충분히 이용 가능한 옵션이다.

선형 액추에이터

제어 밸브가 달린 공압 실린더는 자동화 산업에서 필수적인 부분을 차지하며 여전히 선형 액추에이터로서 중요한 역할을 담당하고 있다. 공압 실린더는 다양한 고속 또는 고부하 자동화 응용분야에 적합하다.

그러나 다양한 이점에도 불구하고 공압 실린더에는 몇 가지 근본적인 문제점이 있어 설계자와 엔지니어는 대안 솔루션을 모색해야 한다. 부하가 있는 공압 액추에이터를 정확히 위치 지정하는 건 공기의 압축 속성으로 인해 언제나 어려운 일이다. 고속 상태에서는 특히 더 그렇다. 이러한 시스템의 작동 비용을 높아지는 원인은 공회전 압축기 및 파이프라인의 누출로 인한 전기 손실이 상당하기 때문이다.

반면, 전기 액추에이터는 부하 및 속도 성능이 더 낮음에도 불구하고 공기 실린더보다 더 많은 이점을 가지고 있다. 선형 액추에이터의 대부분은 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는   데 나사 및 너트 메커니즘을 사용하다.
응용분야의 부하 및 속도 요구 사항과 기타 요인에 따라 다양한 전기 모터를 원동기로 사용할 수 있다. 본문에서는 고속 선형 작동에 적합한 모터를 살펴본다. 정확한 위치 지정 기능 때문에 스테퍼 모터만 다루겠다.

그림 1의 4블록 매트릭스는 다양한 속도에서의 부하 들어올리기 기능을 기준으로 분류된 선형 액추에이터를 보여준다. 500Mm/s를 초과하는 선형 속도는 고속 범위로 간주될 수 있다. 캔 스택 모터는 안정성과 비용 효율성으로 인해 저부하/저속 분야에서 선형 액추에이터로 널리 사용되고 있다.

하이브리드 스테퍼 모터는 다른 스테퍼 기술에 비해 부하 들어올리기 기능이 더 뛰어난 것으로 잘 알려져 있어, 고부하/저속 응용분야에서는 가장 적합한 선택이다. 이제 남은 저부하/고속 분야가 본문에서 다룰 부분이다.

디스크 자석 모터

터보 디스크 모터라고도 불리는 디스크 자석 모터는 저부하의 고속 응용분야에서 최상의 선택이다. 이름에서 알 수 있듯이, DMM은 얇은 자석 디스크를 사용하여 모터의 토크 출력을 생성한다. 낮은 회전자 관성으로 인해 주어진 토크에서 굉장히 높은 가속을 제공하기 때문에 대부분의 고속 요구 사항에 들어맞는다.

다만, 디스크 자석 모터의 장점이 잘 알려져 있지 않아 자주 간과되는 옵션이다. 그림 2(a)와 2(b)는 기존 DMM으로 설계 가능한 선형 액추에이터의 일반적인 예이다. 설계는 그림 2(a)의 회전 나사 또는 그림 2(b)의 회전 너트, 둘 중 하나를 취한다. 그림 3과 4는 다양한 리드 스크류를 조합한 경우에 DMM 액추에이터의 성능을 보여준다.

이러한 액추에이터는 0~1200mm/s 사이의 저부하 영역에서 폭넓은 범위의 속도를 제공하는데, 이 범위는 동일한 프레임 크기의 캔 스택 모터 또는 하이브리드 스테퍼 모드에 비해 상당히 넓다.

더 고속에서 모든 모터의 성능을 결정하는 핵심 매개변수는 동적 토크 용량, 로터 관성, 부하-모터 관성 불일치, 철 유실, 출력 토크 곡선의 완벽한 사인곡선 모양이다. 그림 5(a)와 5(b)를 보면 속도가 증가할수록 하이브리드 모터의 동적 성능이 급격하게 떨어지는 반면, DMM은 더 높은 속도에서 일정하게 출력을 유지하는 걸 알 수 있다.

출력 토크의 완벽한 사인곡선 파형은 토크 리플의 진폭이 최대로 되며 동적 성능을 개선한다. 철 유실은 입력 주파수와 함수 관계로, 고속일수록 유실이 더 많다. 그러나 DMM은 자기 회로와 적절한 유속 경로가 더 짧으므로 하이브리드 모터에 비해 철 유실과 이력 유실이 더 적음을 알 수 있다. 이렇게 유실이 적고 전기 시간 상수가 낮은 이유로 DMM이 더 높은 속도에서 작동할 수 있다.

앞서 언급했듯이 DMM의 고유한 로터 설계 덕분에 하이브리드 스테퍼에 비해 관성이 굉장히 낮게 유지된다. 주어진 40×40mm의 프레임 크기에서 DMM의 로터 관성은 3gram-cm²로 낮으며 이는 유사한 크기의 하이브리드 모터에 비해 15배 낮은 수치이다. 그렇기 때문에 주어진 토크 출력에서 가속이 15배 더 높아진다.

로터 관성 불일치 또한 고속 작동에 있어 중요한 선택 기준이 된다.
다음 예는 DMM 모터가 부하 관성 불일치 문제가 발생했을 때 얼마나 적절히 대처할 수 있는지 보여준다. 10mm 리드와 Ø6x80mm 길이의 리드 스크류를 이용하여 250g의 부하를 먼 거리로 이동해야 하다. 이때 모터에 가해지는 부하 관성은 어떻게 계산할까? 효율성은 약 40%로 간주될 수 있고 리드 스크류의 재료는 스테인리스 스틸이다.

모터에 반사된 총 관성(Jtotal)=부하 관성(Jl)+리드 스크류 관성(Jls).

Jl 및 Jls는 다음과 같이 계산할 수 있다.

현재 =

그리고 =

모터에 반사된 총 관성,

모터에서 출력 부하까지 부드럽게 전력을 전송하려면 로터 관성과 반사된 부하 관성을 일치시키는 것이 중요하며 특히 고속 작동에서 더 중요하다. 이제 DMM 모터의 표준 로터 관성을 살펴보면 P532 모터는 1.2×10-6kg-m2의 값에 가깝게 나온다.

결론

여러 의료 응용분야에 낮은 부하대의 고속 작동이 필요하다. DMM 기술을 사용하는 고속 선형 액추에이터는 저부하 의료 응용분야에서 뛰어난 선형 속도를 달성함에 있어 공압 액추에이터 또는 전기 솔레노이드의 우수한 대안이다. DMM은 얇은 자석 디스크를 사용하여 모터의 토크 출력을 생성한다.

회전자 관성이 낮아 주어진 토크에서 매우 높은 가속을 제공하므로 대부분의 고속 요구에 적합하다.

자료 제공: Portescap(www.portescap.com)