애플리케이션에 가장 적합한 모터를 선정하는 원칙과 고려사항

새로운 기계 설계에서 모션 제어를 위해 전기 모터를 사용하기로 결정하면, 한 명 이상의 프로젝트 엔지니어가 기계의 각 축에 대한 모터를 선정하게 된다. 그들은 선정 과정에서 무엇을 먼저 수행할까? 그들은 시스템 요구사항에서 다음의 두 가지 주요 범주를 고려할 가능성이 높다.

그 두 가지는 △ 속도/토크 특성(기계 동력 및 대역폭) △ 운동학적 정확도(위치, 속도)이다. 요구되는 속도/토크를 알게 되면, 이러한 요구 사항을 충족하는 모터를 선정할 것이다. 이에 따라 서보 모터 공급업체는 ‘속도/토크’ 곡선을 제공해야 하고, 스텝 모터 공급업체는 최대 토크 및 최대 속도를 제공해야 한다. 여기서 이들 모두가 공칭 모터 전압(nominal motor voltage)을 사용한다고 가정해 보자.

<그림1> 속도/토크 곡선의 예

위 그림에서 속도/토크 곡선에 나타나지 않은 것은 부하 유무에 관계없이 모터의 2차 응답(관성 가속도)의 특성 부분이다. 모터 회전자의 관성에 대한 속성은 데이터 시트에 지정되어야 하며 부하의 관성 속성과 함께 시스템에서의 기계적 대역폭을 계산하는 데 사용할 수 있다. 많은 경우, 시스템 전력 및 정확도 요구 사항은 프로토타입 제작 전까지는 실제로 알 수 없으며, 모터 선택은 다음 두 가지 중에서 수행된다.

1. 동등한 기능을 가진 기존 기계에 사용되는 모터에 대한 지식에 의존한다.

2. 프로토타이핑 중에는 모터의 크기를 늘리고, 요구 사항을 알면 모터 크기를 줄인다.

올바른 모터 선택

모션 제어에 사용할 수 있는 많은 유형의 전기 모터가 있다. 이 논의는 두 가지 주요 범주인 스텝 모터와 서보 모터, 그리고 둘 중하나를 선택하는 것부터 시작된다.

<그림2> 스텝 모터와 서보 모터 비교

스텝 모터

비용 측면에서 개방형 루프 스텝 모터가 첫 번째 선택이다. 그러나 앞에서 언급한 요구 사항으로 인해 개방 루프 제어가 있는 스텝 모터를 사용할 수 없을 수도 있다.

• 스텝 모터의 최대 속도는 폴 페어 수가 많기 때문에 제한된다.

• 개방 루프 스텝 모터의 정확도는 스텝 모터의 토크 정격 비율로 시스템 부하에 의해 좌우된다.

스텝 모터 정확도는 시스템 부하가 정격 토크의 10%이고 정지 상태일 때 위치 오차는 전체 스텝의 약 1/4 (0.5 도)이다. 더 작은 모터에서는 정확도에 영향을 미치는 여러 속성이 존재하며, 자기 플럭스의 형태를 제어하는 구조가 그 한 예가 될 수 있다. 스텝 모터 컨트롤러는 이상적인 방식으로 모터 전류를 조절한다는 가정을 한다.

서보 모터에 대해 논의를 하기 전에, 대부분의 애플리케이션에서 또 다른 요구사항은 공간제한으로 인한 최대 모터 크기다. 모터가 움직이는 경우 모터 무게도 중요해지고, 모터 무게와 관련하여 이동성 및 배송 고려 사항이 중요할 수 있다. 여기에서 스텝 모터의 장점이 있다. 높은 폴 수로 인해 토크 밀도가 증가한다는 것이다. 이는 일반적으로 주어진 크기의 스텝 모터가 같은 크기의 서보 모터보다 더 많은 토크를 생성할 수 있음을 의미한다.

서보 모터

토크 밀도와 관련된 요구 사항을 제외하고 서보 모터는 위에 나열된 두 가지 기본 요구 사항을 충족할 가능성이 가장 높다. 한 쌍의 극이 있는 3상 브러시리스 모터는 가장 빠른 최대 속도를 제공한 다. 최고 속도 애플리케이션(5000RPM 이상)은 일반적으로 원심 분리기와 같이 외부 하중 없이 균형 잡힌 관성으로 회전한다.

최고 속도의 브러시리스 모터 중 일부는 한 방향으로 회전하도록 최적화되어 있다. 회전축은 수직이 되어 초기 축 방향 베어링 하중 (중력)이 발생한다. 완벽하게 균형 잡힌 시스템을 생성하는 것은 불가능하며 시스템이 가속됨에 따라 방사형 힘이 주요 베어링 하중으로 축 방향 힘을 대체한다.

이 현상이 발생하는 속도는 시스템 편심에 비례한다. 가속에 필요한 토크의 일부는 결정론적이며 모델에서 추정할 수 있는 관성 가속에 사용된다. 그러나 레이디얼 베어링 힘의 모델을 생성하는 것은 이 단계에서 마찰과 최악의 편심을 알 수 없기 때문에 어렵 다. 토크 요구 사항의 전체 범위는 프로토타입을 테스트할 수 있을 때까지는 알 수 없다.

차량 조립용 관절 로봇 팔의 관절을 제어하는 서보 모터는 크고 불균형한 관성을 지속적으로 가속 및 감속한다. 베어링 마찰은 여전히 존재하지만 관성 속성이 조인트 가속에 필요한 모터 토크 수요를 지배한다. 관성 및 운동학적 특성을 정확하게 나타내는 로봇/부하 시스템의 모델이 있는 경우 모터 토크 요구 사항을 추정할 수 있다. 

<그림3> 원심 분리기 - 비결정적 토크 요구 사항

<그림4> 로봇 팔 - 결정적 토크 요구 사항

정확도 요구 사항 측면에서, 위치 피드백이 있는 서보 모터는 확실한 선택이다. 대부분의 경우 서보 시스템은 정지 상태일때 +/- 10 엔코더 카운트 이내로 안정될 수 있다. 그런 다음 주요 관심사는 분해능이 정확도 요구 사항의 10~20배인 엔코더를 선택하는 것이다. 많은 시스템에는 인코더는 모터가 아닌 ‘하중 (load)’에 부착되어 있으며, 일부는 인코더가 각각에 하나씩 있다.

서보 모터의 응답 또는 시스템 전체의 기계적 응답도 정확성에 중요한 영향을 미친다. 이상적으로 모터/시스템의 운동학적 응답은 토크와 선형이다. 정적 마찰은 이동을 시작하고 중지할 때 선형 응답을 불가능하게 하므로 고정밀 시스템에는 정적 마찰을 최소화하고 선형성을 최적화하도록 설계된 기계가 포함된다. 나노 미터 규모에서 이들은 선형 모터를 사용하는 현미경 단계와 같은 시스템이다.

3상 리니어 모터는 마그네틱이 끝에서 끝까지 쌓이는 ‘언래핑’된 3상 BLDC 모터로 생각할 수 있다. 자석 스택은 권선 아래(고정) 또는 모터 권선 위(움직이는 플랫폼)에 위치할 수있다. 후자는 움직이는 동안 구부러지지 않고 플랫폼에 힘을 가하지 않으므로 케이블의 견고성을 향상시킨다.

그러나 모션 범위를 확장하려면 단순히 스택에 자석을 추가하는 것보다 더 복잡한 권선 구성을 확장해야 한다. 어느 쪽이든 모터 코일 전류에 의해 생성된 가변 플럭스가 자석과 상호 작용하여 트랙을 따라 움직인다. 보이스 코일은 현미경 단계의 초점 축으로 일반적으로 사용되는 단상 선형 모터의 한 예이며 다시 최소 마찰과 선형 응답을 갖는다. 이러한 고정밀 시스템의 메커니즘은 섬세 하며 가장 엄격한 요구 사항을 충족하려면 특정 유형의 진동 차단이 필요하다.

<그림5> 팬케이크(플랫) 서보 모터

크기와 모양

NEMA(National Electrical Manufacturer's Association)는 기계 엔지니어에게 모터 면, 샤프트 및 장착 구멍의 치수를 정의하기 위한 표준을 제공했다. 다양한 NEMA 모터 크기(NEMA 8, 11, 14, 16, 17, 23, 24, 34,42)는 1/10인치 단위로 모터 표면의 한쪽 길이를 기준으로 한다. 모터 제조업체는 모터의 내부 구성과 모터 길이를 설계하는 데 선택의 폭이 넓다. 결과적으로 주어진 NEMA 크기 내에서 전력/토크 정격은 10배까지 달라질 수 있다.

많은 공급업체가 이 표준을 준수하지 않으며 대부분의 경우 모터 구조로 인해 준수가 불가능하다. 모터가 NEMA 표준을 준수하 도록 요구하는 것은 너무 제한적일 수 있지만 여러 모터 공급업체를 찾을 때 고려해야 한다.

다이렉트 드라이브 시스템을 사용하는 경우 모터 방향 및 위치에 대한 옵션이 매우 제한될 수 있다. 표준 모터 형상이 적합하지 않을 수 있다. 예를 들어, 모터 길이가 제한 되고 큰 모터 직경을 위한 공간이 있는 경우 ‘팬케이크’ 모터를 사용하는 것이 적합할 수 있다.

브러시리스 DC 모터 범주에 속하는 또 다른 기계적 솔루션은 대부분 프레임이 없는 중공축 모터이다. 이름에서 알 수 있듯이 속이 빈 샤프트를 사용하면 기계 부품을 모터의 기하학적 중심에 배치할 수 있다. 프레임리스 모터(로터 및 스테이터만 제공됨)는 이중 동심 모터를 사용하여 토크를 높이고 모터를 부하에 매우 가깝게 배치하여 커플링 비효율을 줄이는 등 기계적 솔루션에 대한 옵션을 확장한다.

<그림6> 중공축 프레임리스 모터

베어링

위에서 언급한 원심 분리기 애플리케이션은 축 방향 및 경 방향 베어링 하중이 모두 존재하는 경우를 설명한다. 대부분의 베어링과 마찬가지로 모터 베어링의 최대 축방향 및 경방향 하중은 모터 데이터 시트에 지정되어야 하며 일부 모터는 둘 중 하나에 맞게 조정된다. 분명한 이유로 베어링 하중은 기계적 고장을 방지하기 위해 공차 내에 있어야 한다.

<그림7> 기어링 어셈블리가 있는 속도/토크 곡선의 예
 

기어링

리드 스크류, 벨트, 랙 및 피논, 베벨 및 웜 기어와 같은 광범위한 메커니즘을 포함하는 다양한 유형의 기어링 메커니즘이 존재한 다. 이것은 속도가 감소하고 토크가 증가하는 것을 의미하는 기어 ‘감소’ 어셈블리이다.

메커니즘을 로터리 모터 어셈블리에 통합하는 측면에서 유성 기어는 고유한 솔루션을 제공한다. 가용 토크는 획기적으로 증가할 수 있으며 모터의 유효 길이와 무게만 증가 한다. 유성 기어 어셈블리의 고유한 기계적 구성을 통해 모터 어셈블리의 ‘면’ 치수에 영향을 주지 않고 모터에 결합할 수 있으며 NEMA 치수 표준을 준수할 수 있다.

기어비(이 경우 4:1)는 효과적인 토크 승수이다. 기어 조립 효율은 최종 토크 계산에도 사용된다. 결과적으로 사용 가능한 토크는 기어비에 효율을 곱한 비율만큼 증가한다. 최대 속도는 동일한 비율로 감소한다. 4:1과 같은 작은 비율의 경우 90%의 효율이 가능하다. 비율이 크고 여러 기계 단계가 있는 어셈블리의 경우 효율이 50% 미만으로 떨어질 수 있다.

슬롯이 없는 브러시리스 모터

구형 브러시리스 모터는 와이어 코일의 형상을 유지하고 이후에 자기장을 유도하는 철 구조의 ‘톱니’ 주위에 고정자 코일을 감아 구성된다. 이 구조는 코일 사이에 간격을 생성하여 회전자 자석이 간격을 가로질러 이동할 때 자기장의 왜곡을 초래한다. 필드 왜곡은 주어진 전류에 대해 모터가 생성하는 토크에 영향을 미친다. 이는 왜곡을 매끄럽게 하거나 필터링하는 데 모멘텀을 사용할 수없는 저속 애플리케이션에서 문제가 될 수 있다.

슬롯이 없는 모터는 코일을 함께 묶고 구조 주위에 감는 것을 방지하는 대체 구조이다. 이것은 코일 사이의 간격과 그로 인한 필드 왜곡을 없앤다. 전류 비례에 대한 토크는 이제 모터 위치에 관계없이 일정하다. 불행히도 이러한 개선은 최대 토크와 속도를 줄이는 대가로 이루어진다.

<그림8> 모터의 자속 방향

축 자속 모터

대부분의 모터는 방사형 플럭스 모터 범주에 속한다. 자속의 방향이 모터 축에 수직이고 회전자가 고정자 내부에서 회전함을 의미 한다. 축 자속 모터는 자속이 모터 축과 평행이 되도록 권선과 자기의 방향을 바꾼다. 권선과 자석은 모터 길이를 따라 나란히 쌓인다. 방사형 플럭스 모터에서 코일 외경의 와이어는 자속 생성 측면에서 거의 중요하지 않다. 축방향 플럭스 모터에서 코일의 모든 와이어는 자속 생성에 기여한다. 이는 더 높은 토크 밀도 측면에서 상당한 이점을 제공한다.

축형 플럭스 모터의 원리는 방사형 플럭스 모터에 비해 새로운 것은 아니지만 제조의 어려움으로 인해 사용이 많지는 않다. 모든 모터의 생산은 복잡한 과정이다. 축 방향 플럭스 모터의 생산은 특히 복잡하기 때문에 덜 일반적이다. 모든 경우에 회전자와 고정자 사이에 간격이 필요하다. 축방향 플럭스는 간격이 방사형이어서 더 큰 굽힘 모멘트를 초래한다. 이로 인해 재료 응력이 증가하고 간격 공차를 유지하기가 더 어려워진다.

그러나 드론, 창고 로봇, 전기 자동차와 같은 운송 응용 분야에서 전기 모터에 대한 수요가 증가함에 따라 축 모터의 설계가 개선되었다. 종종 축 모터의 패키징은 평평하며 팬케익 또는 디스크 모터라고 할 수 있다. 축방향 자속 및 방사상 자속 모터는 표준 및 팬케 이크(플랫) 폼 팩터 모두에 존재한다. 그러나 축방향 플럭스 모터의 형상은 평면 모터 설계에 더 적합하다.

관성 매칭

모터 선택에 대한 일반적인 관행으로서 관성 매칭의 개념은 수십년 동안 업계에 존재해 왔다. 가장 기본적인 해석은 회전자의 관성 모멘트(Jm)가 부하의 관성 모멘트(Jι)에 가까운 모터를 선정 하는 것이다. 이는 부하 대 모터 관성 비율이 약 1:1임을 의미한다.

물론 모터가 이전에 언급한 토크/속도 요구 사항을 충족하지 않는 경우 관성을 일치시키려는 노력은 소용이 없게 된다. 그러나 최신 모터를 사용하면 큰 관성비(Jι≫Jm)를 갖고도 이러한 요구 사항을 충족할 수 있다. 비율이 1에 가까우면(예: 더 큰 모터) 이러한 요구 사항을 충족할 수 있다고 하는 많은 이유가 있다.

관성비가 큰 모터를 선택하는 것이 크기와 무게를 줄이는 측면 에서 유리한 것처럼 보일 수 있다. 그러나 단점이 있을 수 있다. 하나는 전력의 증가이고 또 다른 단점은 시스템 불안정성에 대한 경향이 증가한다는 것이다. 후자의 영향은 모터와 부하 사이의 기계적 컴플라이언스에 의해 지배된다. 공진이 시작되는 주파수는 부하 관성과 컴플라이언스의 결합 효과에 의해 지배된다.

컴플라이언스가 거의 없는 경우 더 높은 주파수에서 공진이 발생하기 때문에 큰 관성비의 영향이 완화된다. 공진 주파수를 넘어 서면 부하가 없는 것처럼 모터가 진동할 수 있는 ‘관성 감소 불안 정성’이 발생할 수 있다(즉,관성 부하가 0으로 감소됨). 이 경우 부하는 사실상 정지 상태이며 모든 기계 동력이 모터 회전자의 운동 에너지로 들어가게 된다. 모터 응답은 더 높은 주파수에서 증가하고 더 큰 관성 비율로 인해 그 효과가 악화된다. 요약하면 관성비가 크면 불안정할 확률이 높아진다.

<표1> 애플리케이션에 따른 관성비

1 미만의 관성비(Jι<Jm)를 선택하면 관성 감소 불안정성 경향이 더욱 감소한다. <표1>에서 볼 수 있듯이 대역폭이 가장 높은 응용 프로그램이 실제로 이 비율을 최소화한다는 증거가 있다. 이는 모터의 크기와 무게를 늘리는 희생과 애플리케이션에 대해 압도적인 모터를 선택할 가능성을 희생시키면서 수행된다.

위의 논의는 기계적 부하를 탄성 메커니즘으로 모터에 결합된 회전 관성으로 단순화했다. 다이렉트 드라이브 시스템의 경우에만 이러한 단순화가 실제 기계를 대신한다. 많은 경우, 벨트 또는 리드 스크류와 같은 추가 구성 요소를 도입하거나 또는 토크를 증가시키기 위해 기어링을 도입하여 모터의 회전 운동은 선형 운동으로 변환한다. 이 경우 모터가 느끼는 부하의 관성이 다이렉트 드라이브의 경우에 비해 크게 달라진다. 모터의 부하는 때때로 ‘반사된’ 또는 ‘겉으로 나타나는’ 관성이라고 한다.

일반적으로 모터 선정은 5보다 큰 관성비를 선택하여 비용, 무게 및 효율성을 최적화할 수 있지만 시스템 대역폭 요구 사항이 증가함에 따라 실현 가능성이 떨어진다.

자료 제공: PMD(www.pmdcorp.com)