기술 비교, 통합형 전동 액추에이터 vs 기존 전동 액추에이터 ②

효율성 및 신뢰성

통합 액추에이터와 기존 액추에이터 간의 효율성 및 신뢰성 차이는 각 시스템의 토크 전달 및 회전 구성 요소의 수에 의해 결정된다. 오정렬과 그에 따른 측면 하중은 시스템 효율성에 부정적인 영향을 미친다. 통합 설계에서는 두 개의 지지 베어링 (레이디얼 베어링 및 앵귤러 콘택트 베어링)만 필요하며 정렬은 어셈블리 내에서 엄격하게 제어된다. 기존 액추에이터 플랫폼은 부품 수가 크게 증가하며 모터에 2개의 레이디얼 베어링과 나사 지지(앵귤러 콘택트) 베어링 세트 등 3~4개의 베어링이 필요하다.

또한 기존 액추에이터 시스템은 병렬 모터 장착 설계의 벨트 및 풀리 어셈블리 또는 인라인 구성의 커플러를 활용한다. 이러한 추가 토크 트랜스미션 구성 요소는 마모, 정렬 불량 및 잠재적인 측 면 하중이 발생할 수 있으며, 이는 마찰 증가와 전 반적인 잠재적 시스템 신뢰성 저하를 통해 효율성 에 더욱 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 통합 액추에이터 설계에는 부품 수가 적기 때문에 잠재적으로 마모되고 고장 날 수 있는 추가 베어링 및 모터 연결 부품이 제거되어 통합 설계의 신뢰성이 높아 진다.

기존 액추에이터의 모터 어셈블리를 통합하려 면 정확한 정렬과 벨트 장력이 필요하다. 벨트에 과도한 장력을 가하면 모터 샤프트에 측면 부하가 발생하여 효율성이 감소하고 모터 베어링이 조기에 고장날 가능성이 높아진다. 또한 기어박스를 사용하는 경우 기어박스 효율성으로 인해 전체 시스템 효율성이 감소한다. 요약하면 통합 액 추에이터는 마찰을 줄이고 부품 수가 줄어들어 더 높은 효율 수준에서 작동한다.

위치 정확도 및 반복성

나사 설계(볼 또는 롤러)는 동일하게 통합 액추에이터와 기존 액추에이터 모두에 사용될 수 있지만 이 위치에서 위치 정확도와 양방향 반복성에 직접적인 영향을 미치는 백래시를 최소화하려면 서보 모터와 나사 사이의 연결이 필수적이다.

통합 액추에이터는 로터와 스크류 샤프트 사이의 견고한 연결을 활용하여 시 스템에 백래시가 발생하지 않는 커플링 스타일을 만든다. 기존 액추에이터는 벨트/도르래 메커니즘, 모터 커플러 또는 기어박스에 의존하여 모터 샤프트(로터)를 액추에이터의 나사 어셈블리에 부착된다. 이러한 연결 옵션은 일반적으로 ~0.1에서 ~0.5도의 백래시를 발생시 켜 액추에이터의 위치 정확도와 양방향 반복성에 부정적인 영향을 미친다.


힘

구조로 인해 기존 액추에이터 설계에서는 대구 경 볼 및 롤러 나사를 사용할 수 있다. 통합 액추 에이터 설계는 서보 모터의 중공 코어 로터 내부로 이동하도록 제한되어 있으므로 나사 어셈블 리의 크기를 제한한다. 이를 통해 현재 시장에 나 와 있는 기존 액추에이터가 445kN(또는 100k lbf) 이상의 최대 하중 정격을 달성할 수 있다.

현재 시장에서 제공되는 통합 액추에이터는 약 54kN(또는 12k lbf)의 힘을 달성할 수 있다. 상업적 가능성을 제한하는 기술적 이유는 높은 힘 범위를 달성하는 데 필요한 토크를 생성하기 위해 거의 모든 서보 모터/기어박스/벨트 및 풀 리 조합을 수용하는 기존 액추에이터의 유연성이다.

설계 엔지니어는 서보 모터/기어박스 조 합을 소싱하고 일치시켜 애플리케이션에 필요한 속도와 힘을 달성함으로써 기존 액추에이터 기술의 애플리케이션 범위 유연성을 더욱 높일 수 있다.


반복성

서보 모터 설계는 액추에이터의 반복성에 직접적인 영향을 미친다. 기울어진 권선이 있는 모터 는 토크 리플과 코깅을 줄여 로터 위치 및 스러스트 로드 위치에 관계없이 우수한 힘 반복성을 제공한다. 비스듬한 권선이 있는 모터는 기존 액추 에이터용으로 특별히 공급될 수 있으며, 일부 통 합 액추에이터는 기울어진 모터 권선을 표준 제품으로 제공한다.

정격성

제조업체 간에 고려해야 할 중요한 차이점은 액추에이터의 연속 정격이 시스템 내부의 모든 중요한 구성 요소의 온도 상승 한계를 고려했는지 여부다. 이러한 중 요한 구성 요소는 일반적으로 서보 모터 절연 시스템, 피드백 장치, 커넥터, 베어 링, 나사 어셈블리 및 그리스이다.

완전한 열 시스템에 설정된 액추에이터 시스템에 대한 연속 등급은 가장 길고 가장 안정적인 액추에이터를 보장한다. 서보 모터 및 브레이크 어셈블리의 동력 손실, 나사 어셈블리 및 베어링의 마찰 손실은 액추에이터 시스템에 열을 발생시키는 주요 원인이다. 기존 액추에이터는 더 높은 듀티 사이클과 더 높은 피크 힘 범위에서 장기간 작동할 수 있다. 이는 서보 모터와 브레이크 어셈블리의 동력 손실이 나사 어셈블리와 앵귤러 콘택트 베어링의 마 찰 손실과 분리되어 모터와 나사 어셈블리의 온도 상승을 줄이기 때문이다.

표면적이 더 넓으면 자연 대류 열전달을 증가시키는 데 도움이 된다. 이러한 특성으로 인해 기존 액추에이터는 높은 주변 온도의 애플리케이션에 권장되는 기술이다. 콤팩트한 디자인의 통합 액추 에이터는 서보 모터 권선을 나사 어셈블리에 가깝 게 배치하여 권선 전력 손실과 마찰 손실을 근접 하게 만든다. 이러한 유형의 설계는 높은 듀티 사 이클 또는 높은 피크 힘 애플리케이션을 실행할 때 모든 중요한 시스템 구성 요소의 온도 상승을 증가시킬 수 있다.

통합 솔루션의 장점은 정격이 시스템의 모든 구성 요소의 한계를 고려하는 반면, 기존 액추에이터는 종종 기계식 액추에이터 구성 요소의 열 성능을 훨씬 능가하는 기능을 가진 모터/기어박스 조합 과 함께 배포된다는 것이다. 기계적 액추에이터 제 한은 제어 시스템 설계에 영향을 미치며 서보 모터 및 드라이브와 함께 제어 설정에 고려되어야 한다.


가속력 및 반응성

액추에이터의 가속력과 응답성은 서보 모터의 전기 및 기계적 시간 상수와 서보 모터 로터를 나사 어셈블리에 연결하는 구성 요소의 강성에 따라 달라진다. 서보 모터 설계의 기계적 시상수(MTC, mechanical time constant)와 전기적 시상수 (ETC, electrical time constant)가 낮을수록 회 전자는 권선으로의 전압 및 전류 입력에 더 빨리 응답한다. 낮은 ETC 및 MTC 서보 모터는 기존 모터 설계와 통합 모터 설계 모두에 사용할 수 있다. 아래 방정식은 표준 모터 성능 사양에서 두 매개 변수를 모두 계산하는 방법을 보여준다.

또한 서보 모터 로터를 나사 어셈블리에 연결하기 위해 선택한 구성 요소의 관성과 강성은 액추에이터 시스템의 공진 주파수 응답을 결정한다. 기존 액추에이터는 커플러, 벨트, 풀리 및 기어박스를 활용하며, 이들 모두는 서보 모터와 나사 어셈블리 사이의 관성과 컴플라이언스(강성 감소)에 영향을 미친다. 이것은 차례로 액추에이터 시스템의 공진 주파수에도 영향을 미친다. 통합 액추에이터는 로터와 나사 어셈블리 사이의 견고한 연결을 활용하여 매우 견고한 토크 전달 시스템을 만든다. 이를 통해 시스템 공진 주파수가 증가하여 통합 액추에이터가 더 높은 가속 속도와 응답성을 달성할 수 있다.

충격 및 진동

액추에이터 장착 면과 무게 중심 사이의 거리는 충격 및 진동에 대한 액추에이터의 민감도에 영향을 준다(그림7 참조). 두 액추에이터 모두 전면 장착 기능을 사용한다. 장착 면에서 발생하는 충격 및 진동은 액추에이터 어셈블리를 통해 전달 된다. 무게 중심이 장착 표면에서 멀어질수록 장착 패스너에 가해지는 응력이 커 지고 액추에이터 끝에서 가속 수준이 높아진다.

통합 액추에이터는 장착 표면에 훨씬 더 가까운 무게 중심을 갖는다. 장착 표면에서 주어진 크기의 충격 또는 진동은 장착 표면에서 가장 먼 지점의 약 2.5배 증가하는 통합 액추에이터를 통해 전달되고 확대된다.

기존 액추에이터에서 길이가 증가하면 동일한 진동 입력이 약 4배 확대된다. 충격과 진동이 확대되면 종종 액추에이터 끝단에서 높은 가속도가 발생하며, 이는 기계적 액추에이터 뿐만 아니라 커넥터, 케이블, 피드백 장치, 벨트/풀리/커플러 와 같은 기타 구성 요소에도 영향을 미칠 수 있다. 통합 액추에이터는 장착 표면에 가까운 무게 중심을 유지하는 매우 콤팩트한 디자인을 제공하므로 충격과 진동이 존재하는 애플리케이션에 선호된다.

안전 고려 사항(수직 하중)

액추에이터 기술 선택은 수직 애플리케이션의 안전에 중요한 역할을 한다. 여기서 전원 손실 또는 구성 요소 고장 시나리오에서 액추에이터 위치 및 부하 제어는 제품 또는 작업자 안전에 중요하다.

기존 및 통합 액추에이터 어셈블리 모두 전력 손실 시나리오에서 모터 로터를 유지하기 위해 유지 브레이크를 사용한다. 기존 액추에이터 설계는 브레이크와 나사 어셈블리 사이에 벨트 또는 커플 러 시스템이 있는 외부 모터를 사용한다. 벨트 또는 커플러의 치명적인 고장으로 인해 자유롭게 움 직이거나 제어되지 않는 액추에이터 로드 및 툴링 덩어리가 발생한다. 이 시나리오에서 브레이크는 고장 난 커플링 시스템으로 인해 액추에이터 부하가 떨어지는 것을 멈추거나 제어할 수 없다.

통합 액추에이터 설계는 안전 문제가 있는 수직 애플리케이션에 이상적이다. 견고한 연결은 브레 이크와 액추에이터 나사 어셈블리 사이의 잠재적인 고장 지점을 제거한다. 이 설계는 전력 손실 시 나리오에서 브레이크가 액추에이터 나사와 맞물리고 나사 어셈블리가 회전하지 않도록 한다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)