열악한 응용분야에서도 뛰어난 성능 발휘하는 고성능 BLDC 모터
임베디드 전자 기능이 현대 사회의 모든 영역으로 확산되면서, 전자 디자인 업계에 흥미로운 시기가 도래하고 있다. Industry 4.0 의 혁신적인 성장은 엔지니어들에게 강력하면서도 작고 정밀하며 효율적인 모션 기능을 갖춘 솔루션을 개발해야 할 것을 요구하고 있다.
전기 모터는 한 세기가 넘도록 사용되어 왔지만(전기 트롤리는 19세기 후반부터 존재했다), 초기 디자인은 비효율적이고 크기가 크며 정밀하지 않았다. 첨단 희토류 자석과 고급 브러시리스 DC 모터(BLDC) 설계의 도입은 새로운 범위의 모터를 가능하게 했다.
이들 모터는 협소한 공간에 맞출 수 있을 정도로 작고, 실질적인 작업을 수행할 만큼 강력하며, 무선 또는 원격 응용에서 사용할 수있을 정도로 효율적이다.
고기능이면서 비용 효율적이라는 것은 엔지니어가 설계하는 모든 시스템에서 최적의 성능을 끌어내야 한다는 것을 의미한다. 고성능 BLDC 모터는 오늘날의 까다로운 애플리케이션이 요구하는 수준의 성능과 경제성을 제공할 수 있다. 이는 스마트 홈의 가전 제품부터 자율 주행 장치, 산업 현장의 제조 공정, 그리고 석유 및 가스 시추 및 추출 작업의 ‘다운 홀’까지 다양한 응용 분야를 포함한다.
<그림1> Sensata의 DIP34 모델과 같은 프레임리스 BLDC 모터 설계는 모터를 주어진 어셈블리 내에 완전히 통합할 수 있도록 한다.
산업
산업용 애플리케이션의 경우 로봇 핸들링 및 조립 시스템의 모터는 매우 안정적이고 비용 효율적이며 공간 효율적이어야 한다. 이새로운 세대의 모터를 가능하게 한 기술의 대부분은 이전에는 과학및 군사/항공 애플리케이션에 사용되었지만, 이제 이러한 핵심 기술은 비용이 저렴해지면서 다양한 산업 솔루션에 통합되고 있다.
패키지 디자인을 간소화하는 한 가지 방법은 모터를 외부 움직임 지점에 부착하는 대신 제품 본체에 직접 통합하는 것이다. 프레임리스 BLDC 모터 디자인인 rotor/stator 파트 세트는 모터를 특정 조립체 내에서 완전히 통합할 수 있게 해준다. 이로 인해 가능한 최대의 토크 대 볼륨 비율을 달성할 수 있다(그림2). 공간 제약이 있는 응용 프로그램에서는 개발자가 통합 옵션과 모터 구성을 선택할 수 있다. 애플리케이션에 따라 모션 축이 공간 제약이 있는 경우 일반 원통형 또는 평평한 팬케이크 스타일 모터를 사용할 수 있다.
<그림2> Sensata Technologies의 하우징 모델과 같은 BLDC 모터는 검사용 ROV(수중로봇)에서 사용된다. 이 ROV는 10 마력 미만의 작은 출력을 가지며, 위치 조정을 위해 프로펠러에 부착된 조밀한 thruster 모터에 의존한다.
자율 주행 차량
무인 또는 자율 주행 차량이라고 하면 대부분 항공기나 자동차를 떠올리지만, 이 분야는 그보다 더 멀리 바다 깊은 곳까지 확장되어 있다. 원격 조종 수중 차량(ROV) 산업의 발전으로 수색 및 구조, 해양 보안, 군사, 수력 산업, 해양 석유 굴착 장치 검사 및 과학 연구 등의 분야에서 이 민첩한 기계가 사용될 수 있는 시장이 형성됐다.
이러한 상황에서 사용되는 검사 등급의 ROV는 작고 휴대가 간편해야 작업자가 최상의 성능과 검사 결과를 보장하기 위해 필요한 위치로 쉽게 이동하여 배치할 수 있다. 이러한 성격의 차량은 일반적으로 10마력 미만으로 작동하며 프로펠러에 직접 부착된 소형 thruster 모터를 사용하여 위치 파악 및 탐색을 수행한다.
사용되는 모터는 물, 기름 및 기타 액체에서 안정적으로 작동할수 있는 낮은 프로파일을 제공해야 한다. 최신 세대의 고급 BLDC 모터는 ROV 검사 등급 요건을 충족할 뿐만 아니라 작은 크기, 전력 및 효율성으로 음향 소음이 적은 간소화된 설계를 가능하게 한다. 맞춤형 모터는 하우징형 및 프레임리스 기계 구성 모두에서 컴팩트한 디자인으로 이 특수 시장 부문에 적합하다.
항공 및 바퀴 달린 애플리케이션에는 여전히 화석 연료로 구동 되는 자율주행 차량이 있지만, 점점 더 많은 제조업체가 크기가 작고 통합이 쉬운 완전 전기 시스템으로 마이그레이션하고 있다. 화석 연료에 비해 전기 시스템은 탄소 발자국 감소, 음향 소음 감소, 배기가스 배출 감소 등의 장점을 갖고 있다. 배기가스와 소음이 적다는 점은 최소한의 크기와 음향 신호가 필요한 경찰 및 군사 솔루 션과 같은 다른 많은 애플리케이션에 유리하다는 것을 의미한다.
화석 연료 시스템과 전기 시스템의 또 다른 장점은 전기 시스템이 거의 모든 인간 환경, 심지어 클린룸에서도 안전하게 작동할 수있다는 점이다. 배기가스를 배출하는 시스템에서는 이러한 능력이 불가능하다. 자동 지게차, 이동식 장비 카트 등도 전기 모터로 구동할 경우 훨씬 더 조용하게 작동하므로 작업장에 쉽게 통합할 수있다.
배터리 수명
상대적으로 높은 듀티 사이클에서 작동하는 강력한 전기 모터는 에너지 전달 및 저장 시스템에 엄격한 요구 사항을 부과한다. 또한 전력 인프라는 가능한 한 비용 효율적이어야 한다. 효율적인 전기 모터는 이러한 요구 사항을 충족시킨다.
배터리 수명을 극대화하는 것은 관련 장비의 신뢰성과 수명이 미션의 결과에 영향을 미칠 수 있는 다양한 미션 크리티컬 시스템 에서 결정적인 요소이다.
배터리로 작동하는 의료 기기나 원격으로 조종하는 군용 차량 에서는 까다로운 상황에서 몇 분만 더 버틸 수 있는 능력이 큰 차이를 만들 수 있다. 이러한 요구는 중요한 시스템에만 국한되지 않는다. 휴대폰에서 자동차에 이르기까지 배터리로 작동하는 모든 시스템의 수명을 늘리는 것은 이제 장비 제조업체의 핵심 이니 셔티브이다.
이러한 요구를 해결하기 위해 최신 프레임리스 브러시리스 DC 모터는 90% 이상의 매우 높은 작동 효율을 제공하는 설계와 함께 다양한 구성으로 제공된다. 이를 통해 기존 설계보다 배터리 수명을 연장할 수 있다. 배터리 의존형 애플리케이션의 경우 배터리(또는 슈퍼커패시터 또는 리플로우 셀)를 충전해야 할 때까지 주어진 애플리케이션에서 가장 긴 작동 시간을 달성하기 위해서는 배터리 크기가 아니라 모터의 효율성이 결정적인 요소인 경우가 많다.
<그림3> Sensata의 DII-15-60 모델과 같은 고압 고온 BLDC 모터는 극한의 주변 온도와 압력을 견딜 수 있다.
열악한 환경
유류 및 가스 응용과 같이 가혹한 환경에서 하우징된 BLDC 모터가 사용되는 경우, 설계에 추가적인 요구가 있다. 이러한 요구 사항을 적절히 해결하기 위해 이 모터는 최대 205°C 및 30000 PSI에서 작동할 수 있는 등급이 되어야 하며, 1000g 이상의 충격 하중과 25g RMS의 진동 저항을 견딜 수 있어야 한다.
예를 들어, <그림3>의 브러시리스 DC 모터는 가장 극한의 주변 온도 및 압력 환경에 맞게 설계됐다. 이 BLDC 모터는 가장 광범위한 환경 테스트 프로토콜을 통해 검증되어 높은 주변 온도와 압력에서 성능을 보장하는 동시에 극한의 애플리케이션에서 높은 충격과 진동 부하를 처리할 수 있다. 이 모터는 특정 요구 사항에 맞게 고도로 맞춤화할 수 있는 독점적인 설계를 갖추고 있으 며, 다양한 토크와 속도로 제공되며 기어박스 또는 기타 피드백 시스템에 맞게 구성할 수 있다.
다운 홀(Down-hole): 첨단 석유 및 가스를 성공적으로 시추하고 추출하려면 다운 홀(Down-hole)에서 생존하고 작동할 수 있는 매우 신뢰할 만하고 고성능을 갖춘 모터가 필요하다. 이는 드릴링 작업에서 발생할 수 있는 가장 엄격한 조건을 견딜 수 있도록 특별히 개발된 견고한 브러시리스 직류 (BLDC) 모터이다.
석유 추출용 드릴링 장비에 사용되는 통합 모터는 조건에 관계 없이 신뢰성 있게 작동해야 한다. 왜냐하면 석유 및 가스 추출은 다운타임 한 시간이 최대 10만 달러 이상의 비용을 초래할 수 있는 산업이기 때문이다. 드릴링 리그에서 모터나 다른 통합 장비를 교체하는 데는 상황에 따라 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있다.
이 경우 고압 및 고온 브러시리스 DC 모터는 진흙 펄서 밸브, 캘리퍼 배치 및 센서 위치 지정과 같은 가혹한 다운홀 애플리케이 션을 직접 처리할 수 있다. 이러한 성격의 모터는 최대 205°C의 온도와 최대 30000psi의 압력에서 연속 작동하는 테스트를 성공적으로 마쳤다.
광범위한 컨트롤러 전압 및 전류를 충족할 뿐만 아니라 기어박스 또는 기타 피드백 장치와 최적으로 작동하면서 극한의 환경 조건에서도 견딜 수 있는 모터를 만들려면 권선 변형이 있는 맞춤형 설계가 필요한 경우가 많다.
모터의 견고한 설계는 고장이나 작동 불량이 허용되지 않는 가혹하고 열악한 환경의 다양한 까다로운 애플리케이션에도 사용할 수 있다.
자료제공: Sensata(www.sensata.com)
