PMSM(영구자석동기모터) 서보 모터의 최적화 방법과 필수 고려사항은?
기계 성능 향상에 대한 요구가 계속 증가함에 따라, 오늘날 OEM 설계에는 제어 및 동작을 수행하는 데 필요한 모터에 대해 보다 심층적인 고려가 필요해졌다. 여러 권선(winding) 기술이 적용된 AC 또는 DC 모터 변형과 회전식 및 선형 모터가 다양한 형태로 제공되며 각각 필요에 따라 특정 동작 기능을 수행할 때 사용된다.
여기에서 초점은 일반적으로 피드백이 없는 ‘영구 자석 AC(PMAC)’로 구성되거나 또는 피드백이 있는 ‘BLDC(브러시리스 DC)’라고 하는 DC 버전으로 구성되는 회전식 ‘영구 자석 동기 모터(PMSM)’의 이점에 대한 것이다. 이러한 서보 모터들을 제공할 때, 업데이트된 방법론 및 프로세스에 의한 최신 OEM 설계를 통한 PMSM 서보 모터는 보다 우수한 기계 성능과 향상된 경쟁 우위를 기대할 수 있다.
효율적이고 역동적인 서보 모터들이 이미 시장에서 많이 제공 되고 있다. 이러한 잠재력을 통해 OEM 기계 설계자는 해당 성능을 고객요구에 적용할 수 있다. 또한 설계자는 다양한 모터를 선택할 수 있으므로 개발을 쉽게 하기 위해 친숙한 공급업체를 선택 하는 경우가 대부분이다. 이것이 처음에는 논리적인 선택으로 보일 수 있지만, 기계 성능을 최대화하기 위한 최선의 선택과는 상반될 수도 있다.
이에 따라 이번 기사는 설계자와 엔지니어에게 모터 최적화를 위한 최상의 정보를 제공하기 위해 PMSM 서보 모터 선택시의 고려할 내용들을 다루기로 한다.
설계 단계에서 모터 선택 재검토
움직이는 부품이 포함된 모든 기계 또는 장비에 전기 모터를 사용 하는 것이 점차 요구되고 있다. 따라서 여러 요구 사항과 함께 에너지 효율성에 대한 규제 및 의무 표준에 따라 전기 모터를 구현 하는 것은 상당히 힘든 작업이 될 수 있다. 엔지니어와 설계자는 대부분의 기계 성능의 핵심이 바로 모터라는 것을 알고 있다. 따라서 모터 구현을 최적화하려면 설계 프로세스 초기에 모든 옵션을 검토해야 한다.
일반적으로 모션 제어가 복잡하든 단순하든 모터는 종종 시장에 제공되는 제품을 선택하게 된다.
이러한 모터 선택에는 여러 가지 이유가 있는데, 구성 부품을 손쉽게 찾을 수 있는 점을 비롯해서, 선택한 모터에 대한 기술적인 정보가 있어 전체 기계 통합이 용이하다는 점과 모터에 대한 일반적인 설계를 유지하는 것 등이 포함된다. 그러나 그 이상의 다른 점을 고려할 생각을 하지 않는 것이 일반적이다. 대부분의 경우, 그러한 모터 선택이 최선의 결과에 도달할 수 없기에 선택 프로세스가 더욱 중요해지고 있는 것이다.
▲ 조임쇠를 조이는 제조 공정에서 사용되는 소형 프레임, 조립 공구 암 일체형 PMSM 모터
엔지니어 및 설계자는 기계를 설계하는 동안 많은 결정을 내려야 한다. 모터는 최소한의 전기 및 장착 기준과 속도 및 토크 요구 사항에 따르는 설계 작업의 일부로 생각함으로, 선택 프로세스가 간단해 보일 수 있다. 그러나 여기서 중요한 검토 포인트는 그결정이 최상의 결과를 가져올 것인지를 아는 것이다.
대답은 기계의 전반적인 적합성, 형태, 기능 및 궁극적으로 뒤따를 결과 디자인에 상당한 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 예를 들어, 그 선택이 △ 전체 성능을 제한하는지 △ 기계 크기를 줄일 수 있는 가능 성은 고려되었는지 △ 주변 기계에 방해는 안되는지 △ 다른 설계 매개 변수에 영향을 주지 않는지 등이 모터를 최종적으로 선택하기 전에 해결되어야 할 고려 사항들이다.
▲ IP67, 330mm(O.D.) PMSM 모터는 저속에서 높은 토크를 전달하도록 최적화된 수중 워터 펌프에 사용됨
PMSM 서보 모터는 콤팩트하고 비용 효율적이며 다양한 폼 팩터로 제공되며 제어 모션 애플리케이션에 완벽하며 일반적으로 필요에 따라 10W에서 최대 30kW의 전력으로 구현된다. 단순한 사실은 PMSM 서보 모터가 기계 또는 장비에 일정한 시작 및 정지 모션을 제공하고, 탁월한 가속/감속 성능으로 매우 빠른 속도를 제공한다는 것이다.
▲ 표준 프레임 PMSM 모터 및 기어헤드를 활용하는 AGV 허브 트랙션 어셈블리
PMSM 서보 모터 기술을 구현함으로써 기계 및 장비 제조업체는 비교할 수 없는 프로세스 처리량과 더 높은 수준의 대량 생산을 달성할 수 있다. PMSM 서보 모터는 이제 경쟁력을 유지하고 일반적인 ‘동급 최강’ 성능을 유지하기 위해 장비에 맞게 조정되고 있다.
▲ IP68, 퍼징 포트가 포함된 자율 수중 차량 PMSM 모터
PMSM 모터 최적화 및 구현
PMSM 서보 모터는 시장에 출시된 지 30년이 지났으며, 다양한 응용 분야에서 완벽하게 작동할 수 있도록 하는 표준이 되었다.
길어진 수명과 다른 기술에 비해 향상된 성능을 제공하는 것으로 알려진 PMSM 서보 모터는 로봇, 조립 자동화, 의료 및 의료, 포장, 식품 가공, 방위 및 보안, 자재 취급, 엔터테인먼트, 자동화 창고, 공작 기계, 금속 가공 등에 사용된다.
▲ 수중용으로 특별히 설계된 저전압, IP67, PMSM 모터
▲ 전체 프로파일 길이를 줄이는 데 필요한 AGV 허브 트랙션 통합 PMSM 모터 서브 어셈블리
실내 환경의 기계뿐만 아니라, 가혹하고 부식성이 강한 환경 조건에서 작동하는 모바일 및 휴대용 장비를 위한 PMSM 솔루션이 제공되고 있다. 또 다른 추세는 장비 에너지 효율성이 크게 향상 됨에 따라 가능하면 공압 및 유압을 대체하는 것이다. 이러한 경우 PMSM 교체 솔루션은 운영 비용을 낮추고 하드웨어 수명을 연장하여 장비 수명 동안 막대한 절감 효과를 가져온다.
PMSM 서보 모터가 필요하거나 요구되는 솔루션을 위해 먼저 물어봐야 할 몇 가지 질문은 ‘카탈로그만으로 어떤 내용을 참고하는지’ 에 관한 것이다. 많은 경우에 간단한 카탈로그에서의 선택은 성능에 대해 최소한의 요구 사항만을 충족했다는 의미를 가진다. 기계 설계 자와 기계 엔지니어가 질문해야 하는 실제 질문은 다음과 같다.
• 단순한 모터 선택으로 최상의 기계 성능을 위한 다른 옵션은 없는지?
• 모터 구현이 전체 시스템 또는 프로세스에 어떤 영향을 미치는지?
• 지정된 모터가 기계 크기 축소 또는 성능 향상에 대한 가능성을 없애지는 않는지?
• 맞춤형 솔루션을 무시한 모터 지정에 의해 최상의 기계 기능에 대한 추가 고려 사항이 무효되지는 않는지?
여기에 대한 모든 대답은 중요한 결정 기준으로 이어진다. 기계 설계가 카탈로그만을 의존해서 수행되어서는 안 된다. 이는 본질 적으로 전체 잠재력에 대한 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 엔지 니어와 설계자는 요구 사항에 대해, 최상의 설계를 가능하게 하는 결과를 위해 노력해야만 한다.
예를 들어 시장에서 제공되는 프레임 크기를 원하지만 속도/토크 요구 사항이 다른 경우, 설계는 여전히 가능하다. 아래의 <그림1>은 유사한 장착 요구 사항을 수용하면서 애플리케이션에 초점을 맞춤으로써 주어진 폼 팩터 내에서 속도/토크를 쉽게 변경할 수 있는 일반적인 프레임 크기를 나타낸다.
<그림1> 일반적인 PMSM 프레임 크기
또한 식품 가공 또는 해저 (sub-sea)와 같이 주어진 프레임 크기에 대해 많은 제약이 있는 기계 또는 장비에 대한 설계 요구 사항은 만족스럽지 않거나 기대를 충족하지 못할 것이다. 엔지니어및 설계자는 대체 솔루션에서 설계 목표를 충족해야 한다는 것을 이미 알고 있으므로 대체 가능성을 고려한다. 이러한 결과는 완전히 최적화된 PMSM 서보 모터 솔루션으로 기대치를 충족하거나 능가할 뿐만 아니라 설계 중에 기계의 다른 부분으로 설계 이점을 확보할 수 있다. 예를 들어, 프레임 통합 모터를 구현하면 전체 기계 크기와 무게가 줄어들고 가벼워지므로 여러 이점을 실현할 수도 있으며, 그에 따라 전반적인 비용도 절감된다.
▲ IP67, 300mm(O.D.) 중공축, 고전압 및 토크, 식품 가공에 사용되는 외부 회전 PMSM 모터
많은 경우 단순한 질문을 통해 더 많은 측면을 고려하게 된다. 엔지니어와 설계자의 의무 중 흥미로운 측면이다. 관련된 축의 최소한의 측면만 고려하는 것이 아니다.
OEM은 동급 최고의 기계를 위해 노력하지만 항상 도달하는 방법을 확신할 수는 없다. PMSM 서보 모터 솔루션을 조정하는 것이 이를 달성하는 한 가지 방법이다. 전 세계 OEM 고객은 고성능, 오래 지속되는 소형, 경량 및 저비용 기계 솔루션을 캡슐화하는 사전 설계를 높이 평가하는 것으로 입증되었다.
PMSM 서보 모터 시스템의 최적의 설계를 위해 설계자와 엔지니어가 이를 달성할 수 있도록 추가 고려 사항이 포함된 주요 기준은 다음과 같다.
▲ IP 68 심리스 인클로저, 방수 케이블 인입구 글랜드가 있는 스테인리스 스틸 하우징 PMSM 서보 모터 및 열악한 환경 준수를 위한 고객 지정 피치 스크류 샤프트 어댑터
고려 사항 및 설계 기준
• SPEED: 모터에 인가되는 전압은 모터 속도에 정비례한다. 더높거나 더 낮은 속도가 필요한 경우 적용된 모터 전압이 원하는 결과를 제한할 수 있다. 그러나 고정자 권선은 토크를 고려하여 전압 요구 사항에 따라 속도를 높이거나 낮출 수 있는 사양으로 쉽게 만들 수 있다. 이 계수는 Ke라고 하며 Volts/krpm으로 표시되며 다양한 가능성을 가질 수 있다.
• TORQUE: 모터에 사용 가능한 전류는 모터 토크에 정비례한다. 증가 또는 감소된 토크가 필요한 경우 사용 가능한 전류가 항상 일치하지 않을 수 있다. 속도와 함께 고정자 권선 사양은 속도를 고려하여 낮은 가용 전류에 대한 토크를 증가시키기 위해 쉽게 만들 수 있다. 이 계수를 Kt라 고 하며 Nm/Amp로 표시된다. 충분한 전류를 사용할 수 있고 전체 길이는 문제가 되지 않는다. 토크를 높이는 또 다른 옵션은 프레임 크기를 유지하면서 고정자 길이 및 스택 수를 추가하는 것이다.
• 전압: 모터에 공급되는 공칭 또는 예상 전압이 속도를 결정한 다. 모터의 권선은 적용된 전압을 알고 생성된다. 전력 전자 장치가 시스템, 즉 서보 드라이브에 있기 때문에 전자 장치의 전원이 DC 소스에 연결되어 있는지 또는 AC 라인에서 정류된 DC 에 연결되어 있는지에 관계 없이 모터가 관찰하는 결과 전압은 DC로 간주된다. 따라서 모터 권선은 저전압 요구 사항을 위한 10~80VDC, 일반적으로 90, 120, 240, 480, 525VAC 라인 소스 이상을 포함하여 모든 전압에 대해 명시적으로 지정할 수 있다. 공급 전압을 아는 것은 모든 애플리케이션의 성공에 매우 중요 하다.
• 관성: 로터의 전체 설계는 각질량을 산출하고 목표 가속/감속 측면을 수용하면서 필요한 토크를 결정한다. 설계 및 재료의 모든 측면을 미리 고려하면 부하 관성 일치는 주어진 애플리케이 션의 핵심 사양이 될 수 있다. 관성의 불일치는 부하의 전체 모멘텀을 고려할 때 큰 문제가 될 수 있다.
• 프레임 크기: 크기는 일반적으로 토크 요구 사항에 따라 결정된 다. 표준을 항상 사용할 수 있으므로 하우징 크기의 일반적인 제약도 함께 제공된다. 주어진 응용 프로그램에 대한 사양을 정의할 때 작동을 위해 원하는 ‘표준’을 따를 필요 없이 ‘최적의 적합 성’ 고려 사항을 위해 쉽게 열 수 있다. 또한 프레임리스 모터를 사용하면 고정자가 기계 프레임 자체의 일부가 될 수 있으며 전체 비용/크기를 줄이면서 점점 인기를 얻고 있다.
• IP 등급: 침투 보호 등급은 필요에 따라 애플리케이션에 적절한 밀폐형 모터 인클로저를 제공한다. 필요한 경우 하우징 부분과 베어링 모두에 대해 다양한 방법을 사용하여 밀봉이 크게 개선 되어 보호 기능이 향상된다.
• 장착: 표준 제품은 쉽게 사용할 수 있지만 추가 요구 사항이 필요한 경우 확장할 수도 있다. 사전 결정된 기계적 인터페이스를 따를 필요가 없으므로 옵션이 증가한다.
• 샤프트: 일반적으로 모터에 대한 잠재적인 인터페이스를 정의하는 사용 가능한 표준이 있는 스테인리스 스틸이다. 그러나 개발 자/응용 프로그램에서 필요하다고 간주하는 경우 재료 및 구성의 여러 변경 사항을 지정할수 있다. 이 범위는 광범위하며 직경 차이, 모양 변형, 키잉 등에 대한 세부 사항을 포함한다.
• 하우징 재료: 일반적으로 알루미늄 또는 분말 코팅된 외부 라미 네이션으로 만들어진 하우징과 다양한 환경 조건을 볼 수 있다는 사실 때문에 애플리케이션 요구 사항에 맞는 모든 유형의 변형을 검토해야 한다. 금속 및 코팅은 예상 용도와 일치하도록 필요에 따라 지정할 수 있다.
• 배선: 모터에 대한 배선 종료를 위한 다양한 변형이 가능하다.
사용 가능한 구성 요소를 쉽게 적용하거나 와이어 및 커넥터 유형을 모두 지정하여 쉽게 조정할 수 있다.
• 기어박스 및 액추에이터: 모터 자체가 더 큰 어셈블리의 일부가 되어 기어링이나 작동과 같은 다른 기계적 측면을 통합하면 새로운 ‘시스템’을 독립형으로 만들 수 있다. 이는 ‘올인원’ 구성 요소로 포함할 크기와 단위 비용을 더욱 줄인다.
• 브레이크: 적절한 애플리케이션 솔루션을 보장하기 위한 또 다른 옵션 구성 요소로서, 필요한 경우 모터에 브레이크를 쉽게 추가할 수 있으며 모터 시스템의 일부로 포함될 수 있다.
• 피드백: 다양한 시장 인코딩 장치를 사용할 수 있으며 애플리케 이션에 필요한 대로 지정할 수 있다. 일반적으로 후면에 장착되는 로터 샤프트의 이 부분은 필요에 따라 변경할 수 있으며 모터의 엔드 캡은 전체 모터 설계 에 맞게 수정할 수 있다.
• 전자 장치– 드라이브 및 네트워크: 드라이브의 전력 전자 장치와 디지털 네트워크를 통합하는 것은 서보 모터 기술의 또 다른 추세이다. 이것은 전체 기계 구성요소의 수를 감소시킬 뿐만 아니라 배선의 복잡성도 감소시킨다. 인더스트리 4.0 시대에는 모터에 지능형 전자 장치를 통합하는 기능이 필요하다.
전체 기계 설계의 일부로 PMSM 서보 모터를 고려할 때 대부분의 모터 설계 매개변수는 변경할 수 있으며 원하는 요구 사항에 맞출 수 있다. 체계적인 프로세스 접근 방식은 대부분의 한계를 극복하고 최상의 솔루션을 제공할 수 있다. 최종 결과를 신속하게 시제품화할 수 있으며 생산 단위를 즉시 사용할 수 있다.
▲ 통합 서보 드라이브-PMSM 모터 어셈블리. 컴포넌트 블록을 보여주기 위해 분리 됨(ADVANCED Motion Controls의 드라이브 제공)
최적화된 PMSM 서보 모터
대부분의 경우, PMSM 서보 모터의 구현은 모든 모션 시스템을 위한 탁월한 솔루션이다. 또한 전체 기계 성능 및 외관에 대한 주요 측면 및 우려 사항이 될 수 있다. 종종 완벽하게 최적화된 솔루 션은 기존 설계 및 이전 노하우의 확장으로 제공된다. 전체 기계 설계에 완전히 통합된 최적화된 서보 모터 솔루션을 제공하면 궁극적으로 더 큰 유연성을 얻을 수 있으며 해당 기계가 시장 내에서 경쟁 제품을 능가할 가능성이 높아진다.
▲ CANopen 네트워킹이 있는 서보 드라이브, 자기 인코더, 기계식 홀딩 브레이크및 유성 기어헤드를 포함하는 통합 PMSM 서보 모터 어셈블리의 개념 실현
이 기사를 통해 기계 엔지니어와 설계자 모두의 관점을 넓히고 PMSM 서보 모터 및 그 선택을 정확하게 평가하여 기계 설계를 개선할 수 있는 방법에 알아봤다. PMSM 서보 모터 요구 사항을 검토할 때 추가 고려 사항이 실제로 첫 번째 선택이 되어야 함을 지적함으로써 전체 기계 설계 자체에 대한 솔루션이 크게 향상될수 있다.
더 많은 이점과 가치를 추가하면서 실현된 잠재력을 적용하려면 설계의 모든 영역을 고려해야 한다. 이를 피하면 최적화된 PMSM 서보 모터 지식 및 선택으로 결론을 내려 표준 모터를 사용할 때 제한이 발생할 수 있다. 유사한 생산 관행으로 제조되는 빠른 전환, 최적화된 PMSM 서보 모터 설계를 통해 기계 설계 자는 이제 자신의 설계에 맞는 모터에 의존할 수 있다. 이는 더 많은 설계 유연성을 제공하고 종종 원래 기대치를 초과하는 자본 및기계 생산 비용을 낮추도록 도와준다.
자료제공: TruTech(www.trutechmotors.com)
