기어모터 최적화를 위한 6가지 핵심 요소
기어 모터를 선택하는 것은 비교적 간단한 과정일 수 있지만, 오늘날 엔지니어들은 고객의 기대치가 높아짐에 따라 확장된 기어 모터 요구사항을 충족시켜야 하는 과제에 직면해 있다. 사용 가능한 입력 전압, 원하는 작동 속도 및 토크 요구 사항을 파악하면 적절한 기어모터를 선택하는데 도움이 될 수 있다. 이 기사에서는 최고의 성능과 가치 옵션뿐만 아니라 운영 비용 절감, 수명 연장, 총소유비용 절감에 대한 요구가 증가함에 따라 새롭게 강화된 요구 사항을 다루고자 한다.
고효율, 설치 유연성, 긴 수명, 유지보수 없는 작동을 위해 설계된 기어모터는 상당한 비용 절감, 다운타임 방지 및 생산성 향상에 도움이 될 수 있다. 포장 장비, 컨베이어, 디스펜서, 분류기 등취급 기계에 크게 의존하는 각 부품은 비용 효율적이고 에너지 효율적인 모터 또는 기어 모터를 사용하면 장기간에 걸쳐 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
▲ Brother Gearmotors의 H1 식품 등급 그리스
1. 고효율 모터(NEMA 프리미엄 효율 또는 IE3)
소형 모터에서도 효율성이 중요한 이유는 효율성이 높아지면 모터가 더 시원하게 작동하고 수명이 길어져 운영 비용을 절감하고 전력 소비 절감을 통해 초기 투자비를 더 빨리 회수할 수 있기 때문이다. 2016년에 1마력 이상의 대부분의 AC 모터는 프리미엄 효율 표준을 충족하도록 설계해야 한다는 새로운 미국 정부(DOE) 규정이 제정되었다. 유럽에서 판매되는 장비의 경우 유사한 IE3 효율 표준을 충족해야 한다.
이러한 높은 효율 기준을 충족하기 위해 모터는 적층에 저손실 등급의 강철을 사용하고 구리 함량을 높여 기존 설계보다 손실을 15% 이상 줄이도록 재설계되었다. 또한 단열재가 불필요한 고온에 노출되지 않아 모터 권선의 상태를 양호하게 유지한다.
고효율 AC 기어모터는 다양한 용도로 사용할 수 있다. 고정 속도 애플리케이션에서는 다른 전원 공급 장치나 제어 장치 없이도 라인 전압에 연결하기만 하면 원하는 출력 속도와 토크 성능을 제공하도록 AC 기어모터의 크기와 비율을 선택할 수 있다. 진정으로 최적화된 효율성을 위해 가변 주파수 드라이브(VFD)를 사용 하면 특정 애플리케이션을 실행하는 데 필요한 것만 사용하여 시스템 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 AC 모터는 브러시 DC 모터에 비해 유지보수가 거의 필요 하지 않다. 게다가 고효율 모터는 더 낮은 피부 온도에서 작동하 므로 직접 접촉에 노출되는 직원들에게 더 안전하다.
2. 고효율 기어박스
‘프리미엄 효율’ 모터를 고효율 기어박스에 결합하지 않으면 모든 이점을 상실할 수 있다. 예를 들어, 직각 기어는 대부분의 자재 취급 및 컨베이어 애플리케이션에 사용된다. 그러나 전통적으로 주로 사용되는 기어 유형은 아르키메데스로 거슬러 올라가는 웜기어이다. 웜기어 효율은 감속비가 증가함에 따라 300:1 비율의 경우 최저 49%까지 떨어진다.
웜 기어는 또한 가변 주파수 드라이브(VFD)의 인기가 급증하 면서 점점 더 널리 보급되고 있는 저속에서 효율이 떨어지는 단점이 있다. 웜 기어는 입력 rpm에 따라 효율이 최대 10%까지 떨어질 수 있다. 또한 웜 기어는 슬라이딩 마찰을 이용하기 때문에 처음 사용할 때부터 마모가 시작된다.
모터의 넓은 속도 범위에서 85% 이상의 효율을 유지할 수있는 우수한 직각 기어링 대안은 하이포이드 기어링(hypoid gearing) 기술이다. 하이포이드 기어는 입력 rpm을 낮출 때 효율이 증가하므로 저속/고토크 애플리케이션에서 동력을 전달하는데 더 효과적으로 VFD와 함께 사용할 수 있다. 일반적으로 비효 율적인 웜 기어 모터를 모터 출력이 작은 하이포이드 기어 모터로 대체할 수 있으며, 그 결과 동일한 토크를 얻을 수 있다. 하이포이드 기어박스는 경화된 올스틸 기어링을 사용하므로 웜 기어박스 보다 훨씬 긴 수명을 제공한다.
▲ Brother Gearmotors의 IE3 제품군
오늘날 많은 기업들이 설치 유연성을 극대화하고자 한다. 중공 보어 하이포이드 기어박스는 체인과 스프라켓 또는 다른 커플링을 사용하지 않고 기계에 직접 장착할 수 있기 때문에 선호되는 경우가 많다. 중공 보어 장착은 유지보수 및 부품 수를 줄이고, 먼지와 박테리아가 서식할 수 있는 영역을 최소화하기 때문에 세척 작업에서 청소 작업을 줄이는 데 도움이 된다. 또한, 중공 보어 하이포이드 기어박스는 장치에 체인과 스프라켓이 없기 때문에 작업자의 잠재적인 끼임 지점이 줄어들어 안전성이 향상된다.
3. 고급 그리스 윤활
다운타임과 유지보수 비용을 크게 줄이기 위해 일부 기어모터에는 오일이나 기존 그리스에 비해 기어박스 수명 동안 지속되는 고급 그리스가 채워져 있어 다운타임과 유지보수 비용을 크게 줄일수 있다. 또한 고급 그리스로 채워진 기어모터는 일반적으로 브리 더가 필요하지 않으므로 주문 시 장착 위치를 지정하지 않고도 어느 방향으로든 장착할 수 있어 설치 유연성이 향상된다.
4. Triple Lip Shaft Seals
트리플 립 샤프트 씰(Triple Lip Shaft Seals)은 윤활유 손실과 기어박스로의 먼지 침투를 방지하기 위해 이중 립 씰보다 선호되므로 비용이 많이 드는 가동 중단을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 유해한 먼지를 차단하면 베어링과 씰의 조기 고장을 유발하는 그리스 오염도 방지할 수 있다. 또한 윤활유를 기어박스 내부에 밀폐된 상태로 유지하면 기어, 씰, 베어링의 수명을 연장하여 유지 보수를 피할 수 있다. 윤활유가 기어박스에서 누출되어 기계 작동을 방해하거나 기계 근처에서 작업하는 직원에게 잠재적 위험이될 수 있는 가능성이 줄어들기 때문에 안전성이 향상된다.
5. O-Ring 씰링
개스킷(gasket) 씰링에 비해 O-Ring 씰링은 기어박스 케이스에서 윤활유 누출을 방지하기 위해 보다 확실한 씰링을 제공하여 유지보수 비용을 낮추는 데 도움이 된다. 또한 O-Ring은 일반적으로 기어박스 케이스와 커버 사이의 내부 연결부에 배치되어 외부에 노출되지 않기 때문에 개스킷보다 수명이 더 길다. 반면 개스 킷은 일반적으로 외부 요소에 어느 정도 노출되어 있어 성능이 저하될 수 있다.
6. 보호 정전기 코팅
많은 기어모터는 습기, 먼지, 증기, 극심한 온도 변화에 노출되는등 완벽하지 않은 환경 조건에서 작동한다. 이 모든 것이 조기 고장이나 기타 문제를 일으킬 수 있다. 이는 기존의 습식 페인트나 파우더 코팅 마감의 경우 특히 문제가 될 수 있다. 더 나은 솔루션은 흔히 ‘e-Coat’라고 불리는 정전기 코팅이다.
도금과 도장의 장점을 결합하여 우수한 보호 마감을 제공한다. e-Coat 공정에서는 주물, 압출품 또는 기타 외부 금속 부품과 같은 모터 부품을 특수 페인트 에멀젼이 포함된 수용성 용액에 담그는 방식으로 진행된다. 부품에 전압이 가해져 페인트 에멀젼이 부품의 안쪽과 바깥쪽 모두에 응축된다. 따라서 부품은 완벽한 보호 코팅을 받을 뿐만 아니라 코팅에 의해 완전히 절연된다. 이 특수 정전기 코팅이 적용된 기어 모터는 스크래치/긁힘, 부식성 세척 절차, 많은 가공 공장에서 일반적으로 사용되는 가혹한 화학 물질에 대한 내성 등 모든 종류의 환경 조건으로부터 보호된다.
▲ Brother 유닛을 잘라낸 모습.
자료제공: Brother Gearmotors(www.brother-usa.com/gearmotors) 애플리케이션 엔지니어 Juan Avalos-Vasquez
