전자 산업 애플리케이션에 적합한 모터 선택 가이드
PITTMAN
전기 모터 기술은 다양하지만 애플리케이션 범위를 전자산업 분야로 좁히면 아래의 유형에 대해서 반드시 알아야 한다. 물론 절대적인 것으로 간주해서는 안 된다. 항상 예외가 있기 때문이다.
• 영구자석(PM)
• 브러시 정류형 DC 서보 모터
• 브러시리스 DC 서보 모터
• 하이브리드 스테퍼 모터
기본적인 선택 요소, 모터 역학
모든 PM 브러시 정류 및 브러시리스 DC 서보 모터는 두 자기장의 상호 작용을 통해 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 작동한다. 하나의 필드는 영구자석 어셈블리에 의해 생성되고 다른 필드는 모터 권선에 흐르는 전류에 의해 생성된다. 이 두 필드로 로터를 회전시키는 토크를 생성한다. 로터가 회전하면 권선의 전류가 정류되거나 전환되어 지속적인 토크 출력을 생성한다.
브러시 정류형 DC 모터는 브러시(일반적으로 금속 성분이 있는 흑연)를 사용하는 반면 브러시리스 모터는 영구자석 회전자, 권선형 고정자 및 회전자 위치 감지 방식을 통해 정류를 달성한다.
하이브리드 스테퍼 모터는 두 가지 다른 스텝 모터 유형(영구자석 및 가변 자기저항)의 작동 원리를 결합한다. 외경을 따라 다수의 톱니를 적층 스택의 쌍이 로터 샤프트에 배치된다. 적층 쌍 내부의 각 스택 사이의 영구자석은 축을 따라 N극과 S극을 형성한다. 스테퍼 모터와 마찬가지로 하이브리드 스테퍼는 전기 펄스를 기계적 움직임으로 변환한다. 기존의 브러시 또는 브러시리스 DC 모터는 연속적으로 회전하는 반면, 스테퍼 모터는 고정된 각도 증분으로 회전(또는 ‘스텝’)된다.
스텝 크기 또는 스텝 각도는 톱니 수, 모터 구조 및 제어에 사용되는 구동 유형에 따라 결정된다. 가장 일반적인 스텝 분해능은 1.8º(회전 당 200 스텝)이며, 이는 각 로터 적층에서 50개의 톱니에 의해 생성된 50개의 극 쌍으로 인한 결과이다.
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비교 기준
사용자는 주요 기준을 활용하여 모터 유형을 선택할 수 있으며 고려해야 할 몇 가지 요소는 다음과 같다. 브러시리스 DC 서보 모터는 부하가 일정하거나, 가변적이거나, 간헐적인 높은 피크 또는 예측 여부에 관계없이 광범위한 부하를 수용할 수 있다.
하이브리드 스테퍼 모터는 과부하 조건에 대한 내성이 낮다. 실제로 높은 피크 부하는 스텝을 놓치고 가동을 중지시킬 수 있다. 따라서 스테퍼 유형은 토크 부하가 거의 일정하거나 예측 가능한 애플리케이션에서만 사용해야한다.
모터 크기와 전력 밀도
PM 브러시 DC 모터의 낮은 열 임피던스는 열 경로에 대한 효율성이 떨어지고 열 방출 속도가 떨어진다. 따라서 연속 출력 토크를 달성하기 위해 보다 큰 브러시 모터를 브러시리스 모터와 비교해야 한다. 이 브러시 모터는 크기가 큰 대신에 드라이브 전자 장치의 필요성이 없어진다. PM 브러시리스 DC 모터(고정자에 있는 권선)의 낮은 열 임피던스는 보다 효율적인 열 경로와 높은 열 발산 속도를 제공하여 더 작은 모터가 연속 출력 토크를 달성할 수 있는 잠재력을 제공한다.
하이브리드 스테퍼는 브러시리스 DC 모터와 유사한 열 경로를 나타내지만 스테퍼는 상대적으로 큰 패키지가 필요한 경우 피크 부하를 수용할 수 있도록 크기를 조정해야 한다. 스테퍼는 저속에서 높은 토크를 전달하는데 능숙하기 때문에 감속기의 필요하지 않을 수 있으며, 전체적으로 작거나 편리한 크기로 제공될 수 있다.
케이스 가열
브러시리스 DC 모터는 브러시 유형의 열 임피던스 수준이 높고 하이브리드 스테퍼의 전체 전류를 지속적으로 끌어 오기 때문에 다른 두 유형보다 낮은 온도에서 작동한다.(스테퍼는 전체 전류를 지속적으로 끌어오도록 설계 및 적용된다.)
PM 브러시 정류형 DC 모터의 정상 케이스 온도는 권선 온도보다 훨씬 낮다. 브러시리스 모델의 케이스 온도는 권선 온도와 일치한다. 스테퍼는 비교적 지속적으로 열이 발생한다. 일반적인 Speed PM 브러시 정류형 DC 모터는 일반적으로 1,000rpm을 초과해 작동하여 정류자 세그먼트 사이의 슬롯에 브러시 입자가 축적되어 단락을 일으킬 수 있다. 1,000rpm 미만의 속도는 감속기로 실현할 수 있다.
브러시리스 DC 모터의 높은 회전 속도는 로터 구조의 기계적 무결성, 속도 관련 내부 손실 및 베어링 선택에 의해서 제한된다. 10,000rpm을 초과하는 속도도 가능하며 1,000rpm 미만의 속도는 드라이브 기능에 따라 감속기를 사용하거나 직접 처리할 수 있다.
하이브리드 스테퍼는 일반적으로 1,000rpm 미만의 저속 작동을 위해 선택된다. 낮은 임피던스 권선을 지정하면 최대 속도가 약간 증가할 수 있지만 토크는 이 범위에서 빠르게 감소하기 시작한다. 장점으로는 저속에서 토크 성능이 상당히 높으며, 스테퍼는 다양한 속도에서의 작동이 가능하다.
효율성
감속기와 접촉 저항은 브러시 DC 모터의 효율성을 낮출 수 있다. 전력 밀도와 수명으로 후속 절충이 필요할 수도 있지만, 철이 없는 모터 구조와 정밀 메탈 브러시로 개선할 수가 있다.
구동 전자 장치는 마찬가지로 브러시리스 DC 모터의 효율성을 감소시킬 수 있지만 슬롯리스 구조 기술은 코깅, 히스테리시스 및 점성 손실을 줄여 도움이 될 수 있다. 하이브리드 스테퍼는 연속적인 전류 소비로 인해 이러한 모터 유형 중에서 효율성이 가장 낮다.
홀딩 토크 기능
브러시 또는 브러시리스 여부에 관계없이 비 에너지 모터의 부하 유지 성능은 낮은 코깅 및 마찰 토크에 따라 달라진다. 기어 감속기를 사용하여 유지 용량을 증가시켜 부하에 반영된 홀딩 토크를 크게 할 수 있다. 우수한 홀딩 토크를 위해 브레이크 설치를 권장한다.
전력 공급되지 않은 하이브리드 스테퍼에서 부하를 견디는 능력은 홀딩 토크에 따라 달라지며 일반적으로 토크가 낮다. 그러나 스텝 모터는 최대 전류에서 지속적으로 작동하도록 설계되었기 때문에 높은 홀딩 토크를 무한정 생성할 수 있다.
위치 손실에 대한 민감성
포지셔닝 애플리케이션에 적용된 브러시 및 브러시리스 DC 모터는 위치 손실에 대한 민감도가 낮으며 이는 폐쇄 루프 서보 시스템의 피드백 장치 때문일 수 있다. 대조적으로, 하이브리드 스테퍼는 일반적으로 피드백 장치가 없는 개방형 루프 시스템에 적용되어 위치 손실에 취약하다. 솔루션은 위치 확인이 필요한 애플리케이션 인코더를 선정한다.
소음
브러시 DC 모터의 소음 원인은 불균형, 베어링 및 브러시 등이다. 전체 소음 크기는 중간정도다. 브러시리스 DC 모터의 소음 원인은 로터 불균형 및 베어링 등이며 전체 소음은 크기는 낮은 편이다. 감속기가 적용되면 두 모터 유형 모두 소음이 증가한다. 로터 밸런싱, 적절한 베어링 및 브러시 재료 선택과 같은 솔루션을 사용해 소음을 줄일 수 있다.
하이브리드 스테퍼에서 소음은 진동(공진으로 인해 발생)과 베어링에서 발생하는 소음 수준이다. 소음 크기는 낮은 수준에서 높은 수준에 이른다. 공진 또는 불안정성을 유발하는 작동 속도를 피하고 대체 드라이브 방식(마이크로 스테핑)을 도입하여 개선할 수 있다.
노이즈
브러시리스 DC 및 하이브리드 스테퍼 모터의 경우 브러시 DC 모터에 비해 전기적 노이즈가 적게 발생한다. 억제 장치 및 필터를 추가하고 브러시 재질을 적절하게 선택하여 노이즈를 완화할 수 있다.
기대 수명
일반적으로 브러시리스 및 하이브리드 스테퍼 모터는 브러시 DC 모터 유형보다 훨씬 더 오래 작동한다. 브러시 DC 모터의 기대 수명은 주로 브러시, 베어링 및 감속기의 수명에 의해 좌우된다. 작동 시간 2,000~5,000 범위로 예상한다.
브러시리스 DC 및 하이브리드 스테퍼 모터의 경우 예상 수명은 훨씬 더 길어지며(10,000 시간 초과) 베어링 수명과 반경 방향 및 축 방향 부하, 온도 및 환경에 의해 좌우된다.
통합의 용이성
브러시 DC 모터는 추가 컴포넌트 없이 정류가 기계적으로 수행되기 때문에 애플리케이션으로 엔지니어링하기가 간단한다. 이러한 모터 유형은 배터리를 포함한 DC 전원 공급 장치로 직접 구동할 수 있으며 기본 이상의 기능을 위해 드라이브 및 제어 체계를 통합할 수 있다. 브러시리스 DC 및 하이브리드 스테퍼 모터를 적용하는 것은 다소 복잡할 수 있다. 온보드 솔루션이 시스템 설계자의 작업을 단순화하는 데 도움이 될 수 있으며 전자 정류를 위한 구동 전자 장치가 모두 필요하다.
특정 애플리케이션 요구사항을 고려하여 숙련된 엔지니어와 협력하는 것이 좋다. 전문 지식은 방향을 제시하고 확신을 주며 모터를 선정하는데 도움이 된다.
자료 제공: PITTMAN(www.hydonkerpittman.com)
