상업용 항공우주 애플리케이션에 DC 모터 지정시 꼭 고려할 사항
상업용 항공 우주 분야에서 모터의 적용 범위는 광범위하고 매우 다양하며, 각 분야마다 고유한 요구 사항이 있다. 전기 이착륙 (eVTOL) 항공 택시부터 비즈니스 제트기, 장거리 상업용 운송 항공기에 이르기까지 DC 모터는 극한의 온도, 충격 및 정지, 대기압 력, 신호 간섭과 같은 다양한 조건을 충족할 수 있어야 한다.
이러한 응용 분야에서는 빠른 응답 속도, 높은 출력 또는 토크를 제공 하는 모터를 요구할 수도 있다. 또한, 항공기 우주 산업에서는 끊임없이 가벼운 소재와 더 작은 설치 공간을 요구한다. 이런 사항을 종합적으로 볼 때 장비에 신뢰할 수 있는 모터를 지정하고 구매하는 것은 매우 어려울 수 있다.
이 기사에서는 DC 모터의 성능 및 환경 문제를 제기하는 일반 적인 상용 항공 우주 애플리케이션과 모터가 충족해야 하는 엄격한 항공 우주 산업 표준에 대한 요약을 소개한다. 또한 BLDC 및 DC 모터 유형에 대한 개요, 다양한 상용 항공 우주 애플리케이션을 위한 모션 제어 부품을 지정할 때 고려해야 할 특성, 최적의 안정성과 긴 수명을 보장하는 맞춤형 옵션에 대해 설명한다.
일반적인 상업용 항공우주 애플리케이션과 그 과제
브러시리스(BLDC) 및 코어리스 DC 모터는 경량 폼 팩터에서 뛰어난 효율성을 제공하기 때문에 많은 상용 항공우주 시스템에서 매력적인 선택이다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같다.
• 추진 및 연료 시스템: 제트 엔진 및 프로펠러와 같은 추진 시스템은 연료를 항공기를 대기 중으로 밀어내는 기계적 에너지로 변환하는 반면, 연료 시스템은 전동 펌프와 밸브를 사용하여 엔진 으로 공급되는 연료의 흐름을 조절한다. 항공 우주 차량의 성능, 항속 거리 및 신뢰성은 이러한 시스템을 통해 엔진에 최적의 효율적인 연료 공급과 압력을 제공하는 데 달려 있다.
이러한 시스 템의 모터는 콤팩트하고 출력과 토크 밀도에 최적화되어야 하며, 특히 진동, 충격, 고도 및 넓은 온도 범위 등 기내 외부에서 발생하는 극한 조건을 견딜 수 있도록 제작되어야 한다. 모션부 품은 다양한 항공기에 대한 엄격한 표준을 충족하도록 테스트및 인증을 받아야 한다. 이전 세대 설계에서는 브러시 DC 모터를 자주 사용했지만, 효율성과 제어에 대한 관심이 높아지면서 브러시리스 DC 모터를 중심으로 설계된 스마트 밸브가 차세대 기술의 표준이 됐다.
<그림1> 비행 제어 시스템 정밀도에 필수적인 BLDC 모터
• 비행 제어 시스템: 이 시스템은 항공기의 기동성 및 안전성을 유지하는 데 필수적이다. 새로운 항공기는 번거로운 유압 장비에 의존하는 대신 센서, 컴퓨터, 액추에이터로 구성된 복잡한 전기 시스템을 통합하여 방향과 자세와 같은 비행 매개변수를 정밀하게 제어한다.
전자 비행 제어 시스템은 조종사에게 보다 정확한 피드백을 제공하고, 사람의 업무량을 줄이며, 항공기의 전반적인 운영 효율성과 안전성을 최적화하는 것을 목표로 한다. 비행 제어 시스템에서 정밀 DC 모터의 광범위한 응용 분야에는 스틱 유닛과 요크, 오토파일럿 액추에이터 및 비행 제어 표면, 항공기 전체에 위치한 스마트 트림 액추에이터가 포함된다. 각각은 고려해야 할 특정 요구 사항을 제시한다.
많은 비행 제어 시스템은 센서나 조종사의 지속적인 입력에 반응하므로 선택하는 모터도 반응성이 높아야 한다. 이러한 전자 시스템은 복잡할 수 있으므로 크기가 작고 가벼운 모터가 특히 바람직하다. 홀 센서, 인코더 또는 기타 피드백 장치와 함께 사용할 경우 정밀한 속도 또는 위치 제어도 추가 요구 사항이다. 항공우주 애플리케이션의 다른 많은 부품과 마찬가지로 모터도 혹독한 조건을 견뎌야 한다. 높은 전력 밀도는 이러한 애플리케이션 의 주요 동인이므로 브러시리스 DC 모터가 가장 적합한 기술이다.
• 환경 제어 시스템(ECS): 환경 제어 시스템(ECS)은 항공기 객실 내에서 분리 되어 이동 시 안전하고 최대한으로 소통하고 유지하는 데 중요한 역할을 한다. ECS는 온도, 성능, 성능을 관리한다. 이러한 애플리케이션에 사용되는 정밀 모터는 항공기의 연료 효율을 높이고, 적절한 위치 및 밸브 작동을 제어하며, 안정적으로 작동하기 위해 최적화된 출력과 토크 밀도를 갖춘 작고 가벼워야 한다.
특히 기내 공조 시스템은 비행기의 전체 전력 시스템에 과도한 부담을 주지 않고 냉매 및 기타 부식성 물질에 대한 저항성을 갖춘 효율적인 모터의 이점을 누릴 수 있다. 정밀한 제어가 필요하기 때문에 ECS 시스템에는 BLDC 스테퍼 모터가 자주 사용된다.
<그림2> 자동 윈도우 쉐이드 및 좌석 작동은 환자의 편안함을 보장하기 위해 전력 밀도가 높은 DC 모터에 의존한다.
• 기내 시스템: 기내 엔터테인먼트, 편안함, 연결성은 승객과 승무원에게 쾌적한 비행 경험을 선사하는 데 큰 도움이 된다. 창문 가리개 및 좌석 작동 시스템과 같은 다양한 전동식 편의시설에는 부드럽고 정밀한 동작을 제공 하고 승객 에게 최적의 편안함을 제공하기 위해 조용하고 효율적으로 작동하는 작고 가벼운 모터가 필요하다.
이러한 애플리케이션의 전자기계 시스템은 다른 시스 템에 원치 않는 전자기 장애를 일으킬 수 있으므로 EMI 및 EMC 문제를 최소 화하는 모터가 필요하다는 점을 명심해야 한다. 또한 기어박스, 인코더, EMI/ EMC 보호, 열 퓨즈, 기어헤드 및 브레이크를 통해 시스템 성능과 안정성을 향상시킬 수 있다. DC 가격 대비 성능이 우수해 자주 사용된다. 그러나 보다 동적인 애플리케이션에는 브러시리스 DC 모터가 필요한 경우가 많다.
상업용 항공우주 애플리케이션을 위한 DC 모터 기술
항공우주 애플리케이션의 열악한 조건과 특수 요구 사항에 적합한 DC 모터 기술 및 폼 팩터는 여러 가지가 있다. 그 중 BLDC 모터는 탁월한 속도 및 위치 제어, 긴 수명, 높은 토크 밀도가 특징이며, 브러시 DC 모터는 높은 전력 밀도, 뛰어난 속도 대 토크 성능, 최소한의 철 손실을 자랑하는 작은 크기로 제공된다.
BLDC 모터는 독립형 장치로 구현하거나 기어 트레인이 통합된 맞춤형 하우징이 포함된 보다 완벽한 모션 시스템의 일부로 구현할 수 있어 설치가 간편하다. 독립형 모터와 전체 시스템 모두 애플리케이션의 온도 및 진동 요구 사항을 충족하기 위해 수정이 필요한 경우가 많다. 다음은 상업용 항공우주 애플리케이션을 위한 일반적인 DC 모터의 개요와 장점이다.
• 슬롯형 BLDC 모터는 고정자의 슬롯에 코일이 삽입되어 있으며 높은 토크 밀도와 최대 속도, 긴 수명, 낮은 관성, 효율성, 충격 및 진동으로부터의 보호 등 여러 가지 장점이 균형 있게 결합된 모터이다. 이 강력한 모터는 구리 권선 내부의 톱니가 더 두껍게 설계되어 철과 자석 사이의 공극이 더 작아진다.
적층 강철로 적층된 슬롯형 BLDC 모터는 손실이 적고 높은 피크 토크를 견딜 수 있는 높은 효율과 전력 밀도를 제공한다. Portescap 슬롯형 BLDC 모터는 더 쉬운 사용자 정의를 위해 내부 주변을 따라 축 방향으로 절단된 슬롯에 배치된 권선으로 설계됐다. 추가 이점으로는 혹독한 환경을 견딜 수 있는 능력과 기계적 정류 없이 더 긴 모터 수명이 있다.
<그림3> Portescap의 제품 포트폴리오는 다양한 슬롯형 및 무슬롯형 BLDC 모터를 제공한다.
• 슬롯리스 BLDC 모터는 무철 코일 DC 모터와 동일한 권선 기술로 제작된 원통형 무철 코일을 사용한다. 고에너지 영구 네오디뮴 철-붕소 또는 사마륨 코발트 자석을 사용하는 슬롯리스 고정자 설계의 모터는 허용 가능한 코어 손실과 고속에서 안정적인 작동을 보여준다. 슬롯형 BLDC 모터보다 에어 갭이 더 커서 코깅 토크를 최소화하는 동시에 소음과 진동도 감소한다. 슬롯리스 BLDC 모터는 EMI를 적게 발생시키므로 다른 항공 전자 장치 와의 간섭이 우려되는 애플리케이션이나 고속 및 빠른 가속이 필요한 애플리케이션에 적합하다.
• 외부 로터가 평평한 BLDC 슬롯형 모터는 공간이 협소한 애플리 케이션에 적합하도록 컴팩트하고 평평하다. 이 로터 구성은 뛰어난 전력 밀도와 부드러운 출력을 위해 높은 연속 토크를 제공 한다. 이러한 특성과 손쉬운 사용자 정의 덕분에 BLDC 슬롯형 모터는 특히 항공우주 분야에 적합하다.
• DC 코어리스 모터는 소형의 코어리스 브러시드 장치에서 BLDC 모터와 동일한 많은 기능을 제공한다. 코어가 없는 이 모터는 본질적으로 일반적인 DC 모터보다 더 작고 가볍다. 또한 더 빠르게 가속하고, EMI와 주변 소음을 적게 발생시키며, 부드러운 작동을 보여준다. 또한 코어리스 브러시형 DC 모터는 철 손실이 없고 줄가열이 낮아 효율성이 뛰어나다. Portescap의 Athlonix 제품군은 특정 전력, 토크, 수명 및 크기 요구 사항을 충족 하도록 설계된두 가지 시리즈와 다양한 맞춤형 옵션으로 구성되어 있다.
<그림4> Portescap의 45ECF 플랫 슬롯 모터 <그림5> Portescap의 16N78 브러시 DC 모터
항공우주 산업 표준을 준수하는 모터 지정
항공우주 환경은 모션 부품에 가장 까다롭고 독특한 환경 작동 조건을 제시하며, 산업 규정을 준수하는 것은 제품 선택의 중요한 요소이다. RTCA DO-160G 및 AS9100의 두 가지 표준 세트는 설계자에게 모션 시스템이 혹독한 항공우주 환경에서도 견뎌내고 안전하게 작동할 수 있다는 확신을 제공한다.
항공 장비용 DO-160G
항공 무선 기술 위원회(RTCA)는 경량 일반 항공기와 헬리콥터부터 가장 큰 제트기, 그리고 초음속 속도가 가능한 항공기에 이르 기까지 모든 항공기의 혹독한 조건에 취약한 장비에 대한 테스트 절차와 기준을 수립했다.
RTCA DO-160G로 알려진 이 테스트 표준의 26개 섹션은 상용 항공기에 탑재된 모터에 대한 몇 가지 일반적인 환경 조건을 다룬다. 일부 기성 모션 시스템은 RTCA DO-160 테스트 기준을 충족하지 못할 수 있으므로 DO-160G 표준및 애플리케이션별 요구 사항을 충족하는 DC 또는 BLDC 모터를 맞춤 엔지니어링할 수 있는 기술 전문성을 갖춘 모션 부품 공급업 체와 협력하는 것이 좋다. 다음은 일반적인 열악한 항공 우주 조건에 대한 몇 가지 설계 고려 사항이다.
• 충격 및 진동: 정의된 진동 곡선은 다양한 항공기 애플리케이션 에서 설계 결정을 안내하고 전체 시스템과 각 하위 구성품이 장기적인 신뢰성 요구 사항을 충족하고 충돌 충격에도 견딜 수 있도록 지원한다. 슬롯형 설계를 위한 포팅과 부품 조립 시 레이저 용접과 같은 고급 제조 기술 등 다양한 접근 방식을 사용하여 모션 시스템을 진동으로부터 강화할 수 있다.
• 온도: 항공우주 환경에 일반적으로 요구되는 -55~+125°C의 넓은 작동 온도 범위에서 안정적으로 작동할 수 있는 모터, 베어링 및 기어박스를 지정한다. 베어링과 기어박스는 극한 온도용으로 제조된 윤활유를 사용해야 한다. 또한 베어링은 가스 방출을 방지 하기 위해 처리해야 한다.
• 습도 및 염분 안개: 상업용 항공기는 3만 피트 이상의 고도를 오갈 때 많은 환경적 주기를 견뎌내야 한다. 이러한 온도 변화는 표면에 습기를 축적하고 전기 부품의 산화 및 손상을 유발할 수 있다. 부식을 방지하려면 금속부품에 부식 방지 소재를 지정하고 PCB 보호를 위한 특수 컨포멀 코팅을 지정해야 한다.
AS9100 품질 관리 표준
AS9100은 항공우주 산업에서 국제적으로 인정받는 품질 경영 시스템(QMS)의 정의 표준이다. 항공우주 공급업체가 제품 및 서비스의 품질과 안전을 보장하기 위해 충족해야 하는 일련의 엄격한 요구사항을 설명한다.
AS9100 인증을 획득한 기업은 자사의 제품과 서비스가 업계에서 사용하기에 안전하고 신뢰할 수 있음을 나타내기 위해 운영이 이러한 요구 사항을 지속적으로 충족한다는 것을 증명해야 한다. Portescap 소형 모터는 내부 및 외부 테스트를 통해 RTCA DO-160G 표준을 충족하며, 2023년 인도 뭄바 이에 있는 생산 공장에 대한 AS9100:D 인증도 획득했다.
자료제공: Portescap(www.portescap.com)
