공간 절약, 성능 최적화를 실현하는 ‘프레임리스 서보 모터’
왜 프레임리스인가?
애플리케이션에 잘 맞는 하우징 모터를 찾을 수 있다면 일반적으로 그것이 가장 좋은 선택이다. 그러나 초소형 디자인, 극도의 정밀하고 빠른 동작 반응성 또는 혹독한 환경 조건으로부터 보호해야 하는 필요성과 같이 특수한 요구 사항이 있는 애플리케이션의 경우 프레임리스 모터가 가장 좋은 솔루션이다.
정밀하고 효율적인 프레임리스 모터
다이렉트 드라이브 애플리케이션에서는 기계적 컴플라이언스, 백래시 또는 모션 손실이 없다. 기어박스를 사용하는 경우에도 프레임리스 모터는 하모닉 드라이브(스트레인 웨이브), 유성 및 사이클로이드 기어 세트와 같은 제로 백래시 디자인과 함께 사용하는 데 가장 적합하다. 그리고 가장 높은 토크 밀도를 갖춘 프레임 리스 모터는 애플리케이션의 토크 및 속도 요구 사항을 충족하는 가장 에너지 효율적인 방법을 제공한다.
컴팩트한 프레임리스 모터
프레임리스 모터 키트는 고정자와 회전자로만 구성된다. 기존 서 보 모터와 관련된 다른 모든 구성 요소(하우징, 엔드벨, 베어링, 출력 샤프트 및 커넥터)는 애플리케이션 메커니즘 자체에 설계된 다. 프레임리스 모터를 이 메커니즘 설계에 내장하면 성능을 저하 시키지 않고 가능한 가장 작은 면적을 확보할 수 있다.
뛰어난 환경적 회복성 제공
프레임리스 모터는 애플리케이션에 직접 통합되므로 설계상 환경적 요인으로부터 보호할 수 있다. 예를 들어, 세척 애플리케이 션에 프레임리스 모터를 내장하여 고압 유체가 절대 닿지 않도록할 수 있다. 심해 추진 시스템 의 경우 모터를 오일로 채워진 압력 보정 하우징에 밀봉할 수 있다. 고진공 및 고방사선 환경에서 특수 소재를 사용하여 가스 방출 또는 절연 저하를 방지할 수 있다.
다양한 크기, 모양 및 성능 특성
설계 엔지니어는 필요한 성능과 관련하여 애플리케이션 크기를 쉽게 최적화할 수 있다. 예를 들어, Kollmorgen의 다양한 프레임리스 제품 라인은 몇 센티미터에서 거의 1미터에 이르는 표준 직경의 서보(축 방향으로 더 길다) 및 토커(축 방향으로더 짧다) 폼 팩터를 모두 제공한다. 버스 전압은 ≤48VDC에서 680VDC(480VAC 정류)까지이다. 연속 토크 성능은 분수에서 수천 Nm까지이다. 이러한 모든 옵션을 통해 설계 엔지니어는 이동 해야 하는 질량, 타이밍, 애플리케이션 및 공간 제약, 환경적 과제를 결정하고 해당 정보를 바탕으로 애플리케이션에 이상적으로 적합한 제품군과 폼 팩터를 결정할 수 있다.
프레임리스 모터를 애플리케이션에 통합하기
앞서 언급했듯이 프레임리스 모터 키트는 고장자와 회전자로만 구성된다. 일반적으로 하우징 서보 모터와 관련된 다른 모든 구성 요소는 애플리케이션 메커니즘에 내장되어야 한다. 해당 메커니 즘을 설계할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
하우징
기계에 볼트로 고정된 장착 플랜지가 있는 하우징 모터와 달리 프레임리스 스테이터는 일반적으로 모터 하우징 역할을 하는 가공된 원통형 캐비티 구성 요소에 접합된다. 이것은 구동 샤프트 근처에 기계 내부에 장착되므로 가장 컴팩트한 설계가 가능하다.
구조적 무결성을 보장하고 적절한 방열을 제공하기 위해 하우 징은 일반적으로 최소 벽 두께가 4~6mm인 강철 또는 알루미늄 으로 제작된다. 모터에서 열을 효과적으로 끌어낼 수 있는 하우징 소재를 사용하는 것이 중요 하므로 이러한 소재가 선호된다. 스테인리스 스틸은열 전도율이 낮으므로 피하거나 기계 설계 애플리케이션의 모범 사례에 맞게 적절하게 과대하게 설계해야 한다.
또한 일부 프레임리스 모터는 최대 정격보다 상당히 낮은 권선 온도에서 우수한 성능을 발휘하도록 설계됐다. 예를 들어, TBM2G 시리즈는 85°C를 초과 하지 않고도 뛰어난 성능을 제공하지만, 최대 155°C 권선 온도에서도 지속적으로 전체 성능을 유지할 수 있다.
열 센서
애플리케이션 설계 및 프로토타입 제작 단계에서는 모터가 허용 가능한 권선 온도를 초과하지 않고 필요한 연속 토크를 전달할 수있도록 선형 열 센서를 사용하는 것이 유용할 때가 많다.
최대 권선 온도(예: 155°C)에서 작동하는 모터는 베어링 및 기 어용 윤활제와 열에 민감한 피드백 장치 전자 장치와 같이 근처에 있는 민감한 구성 요소에 열 손상을 일으킬 수 있다. 과도한 열 상승은 열에 민감한 경우 애플리케이션에서 처리하는 재료에도 해로울 수 있다.
널리 사용되는 PT1000과 같은 선형 열 센서는 애플리케이션 성능 수준과 모터에서 실제로 보이는 권선 온도의 상관관계를 파악하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있다. 이 데이터는 애플리케 이션의 다른 열적으로 중요한 기계 요소와 비교할 수 있다. 특정 모터를 선택하면 기계를 더 높은 성능 수준으로 안전하게 끌어올릴 수도 있고, 더 작은 모터로 원하는 성능을 달성할 수도 있다.
최종 설계에서는 PTC 또는 ‘애벌런치(avalanche)’ 유형 열 센서를 통합하는 것이 유리할 수 있다. 포지티브 온도 계수 센서는 온도가 모터 권선의 최대 연속 온도 설계 한계와 같이 확립된 지점을 초과하면 저항 값을 빠르게 변경하는 간단한 저항 장치이 다. 대부분의 생산 애플리케이션은 선형 열 센서가 제공하는 수준의 세부 정보가 필요하지 않다. 그러나 드라이브에 연결된 간단한 PTC 장치는 과열 시 다양한 시정 조치를 지원할 수 있다.
예를 들어, 모터가 과열되고 너무 열심히 작동하기 시작하면 제어 시스템은 경고를 하거나 모터가 식을 때까지 전류를 줄이거나 감속/정지 시퀀스를 거치도록 프로그래밍할 수 있다. 이는 애플 리케이션과 프로세스의 상태와 생산성에 가장 적합한 방식이다. PTC는 제어 시스템 설계에서 구현하기 쉽고 비용 효율적인 보호 요소를 제공한다.
샤프트 및 베어링
기존의 하우징 모터에는 로터가 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 내부 베어링이 있다. 이러한 베어링은 하중을 지지하도록 설계되지 않았으므로 모터 외부에 하나 이상의 추가 베어링 세트를 해당 용도로 통합해야 한다.
프레임리스 모터 세트에는 샤프트나 베어링이 없다. 대신 애플리 케이션 설계에는 자체 출력 샤프트가 포함된다. 샤프트의 베어링은 로터와 하중을 모두 지지한다. 특정 프레임리스 모터를 수용하기 위해 전체 기계 설계를 변경할 필요가 없다. 기계 설계자는 이미 메커 니즘에 대한 베어링 하중 요구 사항을 이해하고 있으며 샤프트에서 추가할 로터를 장착할 지점을 찾기만 하면 된다. 해당 로터 위치를 기준으로 하우징 요소는 스테이터를 지지 하도록 기계에 설계된다.
즉, 설계에는 특정 작업을 수행하는 데 필요한 기존 샤프트 및베어링 설계가 통합되어 있으며 로터와 스테이터 요소를 기존 샤프트에 적절하게 수용하기만 하면 된다. 로터의 회전으로 인해 베어링에 상당한 축 방향 또는 반경 방향 하중이 가해지지 않는다는 점에 유의해야 한다.
이것이 의미하는 바는 샤프트의 베어링이 하중 외에도 프레임 리스 로터를 지지하지만 모터를 염두에 두고 지정할 필요는 없다는 것이다. 대신, 기계 샤프트가 하중을 움직일 때 마주하게 될 축방향 및 반경 방향 힘에 따라 베어링을 선택하고 크기를 조정해야 한다. 하우징 모터가 아닌 프레임리스 모터를 사용해도 지정한 샤프트 베어링에 영향을 미치지 않는다.
피드백 장치
모든 브러시리스 서보 모터 시스템과 마찬가지로 로터 위치를 제공하기 위한 피드백 장치는 모터에 대한 전력을 전자적으로 제어 하는 증폭기의 타이밍과 시퀀싱을 제어하는데 사용된다. 가장 단순한 형태로 이 정류 신호는 홀 효과 장치라고 하는 자기 센서 그룹에 의해 제공될 수 있으며, 이는 프레임리스 모터 부품 세트와 함께 표준 옵션으로 제공될 수 있다.
또 다른 옵션은 홀 효과 출력 트랙을 통합하는 증분형 인코더를 사용하여 폐루프 제어 시스템에 대한 위치 피드백을 제공하는 것이다. 또는 광학 인코더에 해로울 수 있는 혹독하고 충격이 심한 환경의 경우 리졸버는 견고하고 안정적인 절대 위치 피드백 대안을 제공하지만 해상도는 일반적으로 12~16비트로 낮다.
대부분의 프레임리스 모터 애플리케이션에서 사용되는 최상의 솔루션은 절대 인코더로, 가장 높은 정밀도가 필요한 자동화 시스 템에 필요한 18비트 이상의 해상도를 제공한다. 절대 인코더를 사용하면 별도의 홀 효과 장치가 필요 없으므로 드라이브가 시스템 시작 시에도 항상 정확한 로터 위치를 알 수 있다.
기어링
프레임리스 모터는 다이렉트 드라이브 애플리케이션에 이상적이 다. 그러나 속도를 줄이면서 토크를 증가시키는 것이 바람직한 경우 이러한 모터는 소형, 제로 백래시 하모닉 드라이브(스트레인 웨이브) 기어링과 사이클로이드, 스퍼 및 행성 기어와 함께 사용할 수도 있다. 이러한 기어 세트는 소형 폼 팩터에서 높은 토크 증폭을 가능하게 하는 동시에 극도의 정밀성을 유지한다.
예를 들어, 일반적인 100:1 감속비의 하모닉 드라이브 기어링을 사용하면 모터 샤프트에 반사되는 부하 관성이 비율의 제곱 또는 1만 배로 감소하지만 애플리케이션 설계의 전체 치수에는 거의 영향을 미치지 않는다. 이러한 고려 사항은 예를 들어 주저 없이 상당한 부하를 가속하기 위한 토크가 필요하거나 더 작은 모터를 사용하면서 특정 양의 토크를 달성하려는 경우 중요할 수 있다. 기어 감속의 효과를 이해하는 것은 모터 크기에 중요하다.
브레이크
일부 애플리케이션에는 전자기 또는 기계적 브레이크가 필요하 다. 예를 들어 수직 애플리케이션에서 중력은 모터에 대한 전원이 예기치 않게 중단되면 하중이 떨어지거나 예상 위치에서 이동할수 있는 하중 구성 요소이다.
브레이크의 또 다른 용도는 모터가 의도적으로 전원이 꺼졌을 때 하중 위치의 무결성을 유지하는 것이다. 예를 들어, UAV 센서 짐벌과 같은 안정화된 플랫폼은 항공 기가 비행 중이지만 현재 센서가 필요하지 않을 때 하중이 이동하지 않도록 브레이크를 사용하면 도움이 될 수 있다.
자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)
