방위 산업 애플리케이션을 위한 정밀 모터
오늘날의 주요 방위 산업 업체들은 다양한 스마트 군수품의 배치를 통해 우위를 확보하기 위해 핵심 제어 및 작동 솔루션을 제공 하는 주요 제조업체에 의존하고 있다. 유도 미사일 또는 전자광 학/적외선(EO/IR) 이미징 시스템의 까다로운 성능 요구 사항을 충족하는 정밀 모터 솔루션을 찾으려면 기계, 전기, 환경 등 여러 성능 요소를 고려해야 한다. 각 스마트 방위 애플리케이션에는 최적의 정밀 모터 솔루션을 찾기 위한 고유한 과제가 있다. 이 기사에서는 세 가지 특정 애플리케이션과 모터 선택에 영향을 미치는 고유한 요구 사항에 중점을 두고 관련 내용을 기술하고자 한다.
▲ 방위 산업 분야의 소형 모터
스마트 방위 산업 애플리케이션 과제
스마트 국방 애플리케이션은 첨단 기술과 지능형 시스템을 사용하여 국방 역량을 강화하고 군사 작전을 개선하는 것을 말한다. 미니어처 모터는 다양한 스마트 방위 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다.
제어 작동 시스템(CAS)
미사일 핀 제어 작동 시스템(CAS)은 미사일 유도 시스템의 입력에 따라 제어 표면(핀, 카나드)의 위치를 정밀하게 지시하여 미사 일의 비행 궤적을 실행한다. CAS의 모터 요구 사항에는 일반적으로 다음이 포함된다.
• 환경: 미사일은 극한의 온도에 노출되며 높은 수준의 충격과 진동을 견뎌야 한다. 작동 온도 요건은 최저 55°C에서 100°C까지 다양하며 100°C를 초과할 수도 있다.
• 기계: 전체 시스템의 공간 및 무게 요구 사항을 충족하려면 고유 하고 고도로 맞춤화된 설계가 필요하다.
• 전자기: 안내 시스템의 지속적인 비행 경로 업데이트에 대응하기 위해서는 높은 효율성과 동적 응답이 중요하다.
• 품질: 비행 표면의 정밀한 제어는 미사일이 의도한 목표물을 타격할 수 있는지 여부를 결정한다. 모터는 20년 이상의 긴 보관 기간을 견딜 수 있어야 하며, 실전 배치 시 안정적으로 작동할수 있어야 한다.
윙 배치 시스템(WDS)
Wing Deployment System(WDS)은 활공 폭탄과 같은 유도탄의 전술적 사거리를 늘리는 데 사용된다. WDS를 사용하면 날개를 보관할 때 컴팩트한 방향에서 확장된 위치로 움직일 수 있어 비행 중 활공 시간과 거리를 최대화할 수 있다. 날개 전개 시스템의 모터 요구 사항은 다음과 같다.
• 환경: CAS와 마찬가지로 모터는 극한의 온도에 노출되며 높은 수준의 충격과 진동을 견뎌야 한다. 작동 온도 요건은 최저 55° C에서 85°C를 초과할 수 있다.
• 전자기: 날개 전개 시스템의 동적 반응은 핀 액추에이터만큼 엄격하지 않다. 이는 날개가 전개되고 목표물에 도달할 때까지 제자리에 머물러야 하기 때문이다.
• 품질: 날개의 성공적인 배치에 따라 미사일이 의도한 목표물을 타격할 수 있는지 여부가 결정된다. CAS 애플리케이션과 마찬 가지로 모터는 20년 이상의 긴 보관 기간을 견딜 수 있어야 하며 실제 사용 시 안정적으로 작동해야 한다.
전자광학 및 적외선 시스템(EO/IR)
EO/IR 장치는 시커 헤드에 사용되는 영상 시스템으로, 가시광선 센서와 열화상 센서를 결합하여 빛과 기상 조건에 관계없이 정밀한 탐색과 표적 조준을 제공한다. 이 장치는 공중, 지상, 해상 차량은 물론 유도 탄약에서도 표적을 식별, 획득, 고정하는데 사용된다. EO/IR 장치의 모터 요구 사항에는 일반적으로 다음이 포함된다.
• 환경: 방위각, 고도 및 줌 축 모터가 모두 함께 작동하여 환경에 관계없이 부드럽고 반응성이 뛰어난 모션을 제공해야 한다.
• 기계: 유도 미사일이나 폭탄의 제한된 공간과 가벼운 무게로 인해 모터는 최대한 강력하고 토크 밀도가 높아야 한다.
• 전기: 전체 사용 시간이 짧더라도 제한된 온보드 전력 예산으로 인해 차량 전력 시스템의 전력 소비를 최소화하기 위해서는 고효율 모터가 필요하다.
• 품질: 이미징 센서에서 얻은 정보는 원하는 임무를 완수하는 데 중요한 요소이다. 모터는 장시간 보관 후에도 필요에 따라 작동할 수있을 만큼 견고하고 안정적이어야 한다.
스마트 방위 산업 애플리케이션을 위한 모터 기술
대부분의 국방 애플리케이션의 까다로운 과제에는 극한의 환경을 견딜 수 있는 견고하고 안정적인 설계가 포함된다. 스마트 방위 애플리케이션은 좁은 공간 요구 사항을 충족하기 위해 최적화해야 하는 성능 및 효율성 매개변수가 추가된다. 브러시 DC 코어리스, BLDC 원통형(슬롯형 및 슬롯리스), BLDC 플랫(슬롯형) 등 다양한폼 팩터를 갖춘 다양한 DC 모터 기술이 스마트 국방 애플리케이션에 이상적이다.
<그림1> 브러시 DC 코어리스 모터의 예 <그림2> BLDC 원통형 슬롯리스 모터의 예
<그림3> BLDC 원통형 슬롯 모터 예시 <그림4> BLDC 슬롯형 플랫 모터의 예시
Brush DC Coreless: 브러시 DC 코어리스 설계는 샤프트에 고정된 코일 배열로 구성된 회전자와 고정 자석이 있는 고정자로 구성된다. 코일 배열이 철심 적층 구조가 아니기 때문에, 이 모터는 철심이 없는 것으로 간주된다. 철심이 없는 설계는 일반적인 철심 손실이 제거되므로 상당한 장점이 있다. 이 모터는 접촉 저항과 마찰을 줄이고 제어 전자 장치를 간소화하기 위해 귀금속 또는 흑연 브러시를 사용하여 정류된다.
BLDC 원통형: BLDC 원통형 모터는 회전하는 영구 자석이 있는 고정 코일을 사용한다. 고정자의 일부인 코일 권선에 전원을 공급하고 전기적으로 정류할 수 있다. 따라서 정류자 및 브러시 시스템이 필요하지 않다.
BLDC 슬롯형 플랫: BLDC 슬롯형 플랫 디자인도 코일을 라미네이션 슬롯에 삽입하 지만, 외부 로터 구성을 활용한다는 점에서 원통형과 다르다.
스마트 방위 산업 애플리케이션을 위한 모터 선택 기준
각 스마트 방위 애플리케이션의 특정 기준에 따라 다양한 모터 기술 간에는 수많은 트레이드오프가 존재한다. 특정 요구 사항은 한 기술 또는 다른 기술에 치우칠 수 있고, 여러 요구 사항을 조합하면 절충이 필요할 수 있다. 기준 우선순위는 최적의 모터 선택을 개발하는데 도움이 된다. 고려해야 할 주요 모션 파라미터는 다음과 같다.
• 토크 밀도: DC 모터는 코어리스 코일 구성과 함께 높은 자속 밀도를 생성하는 고에너지 자석을 통합하여 컴팩트한 디자인으로 매우 높은 토크를 제공한다. DC 모터는 정류 유형에 따라 최대 연속 토크의 3~5배까지 과도적으로 제공할 수 있다. BLDC 무슬롯및 슬롯형 모터 기술은 모두 높은 토크를 제공하고 자기 포화 없이 최대 10배의 연속 최대 토크를 제공하도록 설계되었다. 원통형 모터에 비해 브러시리스 플랫 외부 로터 모터는 좁은 공간 환경에 편리한 낮은 폼 팩터로 매우 높은 토크 밀도를 제공할 수 있다.
• 마찰 손실: 브러시드 DC 모터의 모터 베어링과 브러시 구성을 통해 부하 또는 정적 마찰 손실이 발생하지 않는다. 브러시드 모터는 마찰이 적은 브러시 및 정류자 재질로 마찰을 최소화하여 원활한 작동을 제공한다. 모터 베어링을 신중하게 고려하면 스마트 방위 애플리케이션용으로 설계된 정밀 DC 모터에서 손실을 최소화할 수 있다.
• 철 손실: 철심이 있는 DC 모터는 고속에서 와전류 손실의 영향을 받아 모터 손실이 증가한다. 반면에 철심이 없는 모터는 철 손실이 없으며 고속 애플리케이션에 선호되는 경향이 있다. 철심이 있는 슬롯형 및 무슬롯형 BLDC 모터는 자기 설계와 전략적 재료 선택을 통해 철 손실을 최소화하도록 설계할 수 있다.
• 최대 속도: 일반적인 소형 DC 모터는 1만RPM 이상의 속도로 단시간 동안 연속적으로 작동하는 데 적합하며, 외부 로터가 있는 플랫 BLDC 설계도 1만RPM으로 작동하도록 설계되었다. 슬롯형 및 슬롯 리스 BLDC 원통형 설계 모두 높은 안정성으로 4만RPM 이상의 속도에 도달할 수 있다. 이러한 고속으로 작동하는 모터는 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계된 베어링 시스템을 갖추고 있으며 진동을 최소화하도록 균형이 잡혀있다. 고속 성능을 더욱 향상시키기 위해 모터의 밸런스를 더 높은 수준으로 조정할 수 있다.
• 코깅 토크: 코깅 토크는 고정자 라미네이션 톱니에 대한 로터의 선호 자석 위치의 결과이다. 코어리스 기술은 철재 적층을 제거 하여 브러시 DC 모터에서 코깅 토크가 발생하지 않는다. 마찬가 지로 BLDC 슬롯리스 모터는 코어리스 설계로 인해 코깅 토크가 없다. 슬롯형 모터는 본질적으로 어느 정도의 코깅 토크가 있으 며, 이는 코어 적층을 비뚤게 정렬하거나 극과 슬롯/톱니 수를 적절히 조합하여 최소화할 수 있다.
• 모터 수명: 브러시 DC 모터 수명을 제한하는 주요 요인은 브러시및 정류자 마모이다. 작업 주기와 모터 크기에 따라 귀금속 또는 탄소 흑연 브러시를 사용하면 마모를 최소화하고 모터 수명을 수천 시간까지 연장할 수 있다. BLDC 모터는 전자적으로 정류 되며 베어링의 수명에 의해서만 제한된다.
• 관성: 낮은 로터 관성이 필요한 애플리케이션의 경우, 로터의 직경이 상대적으로 작은 BLDC 슬롯형 모터가 최적의 기술 선택이 다. 반대로 외부 회전 구성의 BLDC 슬롯형 평면 설계는 로터 설계가 더 크기 때문에 관성이 더 높다.
• 견고성: 스마트 방위 애플리케이션의 가장 중요한 요구 사항중 하나는 모터가 극한의 환경 조건을 견딜 수 있는 능력이다. BLDC 슬롯형 모터는 매우 견고한 고정자 및 회전자 설계로 인해 높은 충격과 진동, 높은 습도, 염분 조건과 같은 열악한 환경을 처리하는데 가장 적합하다. BLDC 슬롯리스 및 DC 코어리스 모터는 MIL-STD-810의 요구 사항을 견뎌야 하는 애플리케이 션에도 사용할 수 있다. BLDC 플랫 모터의 외부 로터는 국방 요건을 충족하도록 설계할 수 있지만, 본질적으로 내부 로터 모터 보다 덜 견고하다.
<표1> A&D 애플리케이션을 위한 모터 기술
스마트 방위 산업 애플리케이션에 이상적인 초소형 모터
설계 우선순위에 따라 BLDC 슬롯형, 슬롯리스, 평면형 설계가 모두 핀 제어 액추에이션 시스템에 적합한 모션 솔루션이다. 높은 전력 밀도와 작은 패키지 크기로 액추에이션 시스템의 무게를 줄이면서도 내비게이션 시스템의 입력에 대한 높은 동적 응답을 제공하여 탁월한 비행 제어를 보장한다.
날개 배치 애플리케이션에는 브러시 DC와 BLDC 기술이 모두 이상적이다. 간단한 모션 시스템의 경우 소형 DC 모터는 성능, 크기, 수명 연장 등 모든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 가장 비용 효율적인 솔루션이다.
보다 복잡한 요구 사항의 경우 완전 맞춤형 BLDC 모터가 가장 적합한 솔루션일 수 있다. EO/IR 애플리케이션은 일반적으로 소형 브러시 DC 및 BLDC 슬롯리스 모터를 사용한다. 이 모터 기술의 높은 전력 밀도는 전체 시스템 패키지 크기를 최소화하는 데 도움이 된다. 또한 브러시 DC 모터는 간단한 제어 전자 장치만 있으면 모터가 작동하기 때문에 설치 공간을 줄이는 데 도움이 된다.
<그림5> 프로젝트 사양을 작업하는 A&D 계약자
모터 선택에 영향을 미치는 특정 방어 요구 사항
방위 애플리케이션은 일반적으로 상용 제품을 뛰어넘는 수많은 요구 사항과 사양을 가지고 있으므로 모터 선택 과정에서 이러한 고유한 기능을 고려해야 한다. 대부분의 제조업체는 가장 일반적인 환경 사양(STD-MIL-810)은 물론 기타 고객 또는 애플리케이 션별 성능 요구 사항을 충족하도록 모터를 맞춤 제작할 수 있다.
높은 충격과 진동 요건을 충족하려면 이를 견딜 수 있는 특정 부품(베어링, 피드백 장치 등)을 선택해야 한다. 포팅 와인딩 또는 하우징 조립에 레이저 용접 사용과 같은 추가 제조 공정은 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 수 있다.
55°C~180°C 범위를 충족하는 온도 맞춤화에는 베어링 및 기어 박스에 대한 저배기 가스 및 극한 온도 윤활을 선택하는 것이 포함된다. 적절한 등급의 부품 또는 대체 부품을 사용하여 맞춤형 전자 장치를 설계할 수도 있다.
장기 보관 요건은 부식과 베어링 윤활의 건조를 방지하기 위해 특수 베어링 재료와 윤활제의 필요성을 요구한다. 브러시 DC 모터의 경우 특수 정류 재료와 마감재가 필요할 수 있다. 습도가 높고 염분이 많은 환경에서는 부식 및 흡수를 방지하기 위해 모든 금속 부품에 내식성 소재를 사용하고 전자 부품에 특수 PCB 코팅을 해야 한다.
자료제공: Portescap(www.portescap.com)
