유압 액추에이터, 더 이상 유일한 옵션이 아니다!! 전동 액추에이터의 강점과 특징은?

지난 30년 동안 새로운 유형의 리니어 모션 기술이 많이 개발되 면서, 기존 유압식 액추에이터 시장에 새로운 바람을 불러일으 키고 있다. 전기 기계식 액추에이터는 향상된 정밀도, 유연성 및신뢰성을 통해 많은 응용 분야 에서 유압 실린더보다 우수한 성능을 제공한다.

유압식과 비교할 때, 보어 크기는 동등(1~5인치) [25~127mm]하고 최대 50000lbf[222.4kN]의 힘을 발휘할 수있다. 전기 로드 액추에이터는 효율적인 전기 사용과 유지보수 감소를 통해 총소유비용(TCO)을 절감하기도 한다. 이 기사에서는두 기술을 비교해 보고 기존 유압 시스템에서 전기 솔루션으로 전환하기 위한 중요한 팁을 제공하고자 한다.

▲ (사진 왼쪽부터) 유압 액추에이터, 전동 액추에이터

유압장치, 더 이상 유일한 옵션이 아니다!
 

압력을 받는 유체는 강력한 힘을 생성한다. 유압 실린더는 금속 프레스, 컨베이어 벨트, 크레인, 제재소 등 빠르든 느리든, 위아래로 일직선으로 움직여야 하는 거의 모든 무거운 물체에 동력을 공급할 수 있다. 물체가 직선 으로 움직일 때마다 리니어 액추에이터로 구동되는 것일 가능성이 높다. 산업용 유압 실린더 에는 일반적으로 2000~3000PSI[138~207bar] 범위에서 1인치 ~8인치[25~203mm] 보어가 포함되며 1700~110,000lbf(55톤) [7.6kN~489kN 이상]의 힘을 발휘한다.

유압 실린더는 산업 제조 산업의 주력 제품이었고 앞으로도 사라 지지 않을 것이다. 높은 힘을 전달하고, 컴팩트한 본체를 가지고 있으며, 견고하고, 배치가 간단하며, 힘 단위당 비교적 낮은 비용 으로 업계에서 정평이 나있다. 수십 년 동안 고강도 어플리케이션에 유일하게 실행 가능한 기술이었다. 그러나 이런 유압 실린더는 장기적인 문제와 과제를 안고 있는 것도 사실이다.

유압 시스템의 누수나 파손은 발생 여부의 문제가 아니라 언제 발생될 것인가의 문제이다. 청소는 지저분하고 시간이 많이 걸린 다. 유압 장치가 고장 나면 수리 및 청소가 진행되는 동안 생산 부품 및 제품을 폐기하고 생산을 중단해야 할 수 있다. 안전 문제 외에도 유압장치는 전체 공장 공간이 넓고, 여러 부품을 정기적으로 유지보수해야 하며, 수동으로 교체해야 하므로 생산성이 저하된다. 소음이 심하고 온도 변화에 취약하며 정확한 다중 위치 측정 기능이 없고, 개방형 루프 환경에서 작동하기 때문에 데이터 수집에 어려움이 있다. 이러한 단점 때문에 많은 엔지니어가 대체 기술을 찾게 된다.

전기 리니어 모션 시스템의 이점
 

엔지니어가 유압 실린더 대신 전동 액추에이터를 선택하는 주된 이유는 위치 제어(여러 위치, 정확도), 속도 제어, 가속/감속 제어, 출력력의 정확한 제어, 이러한 모든 동작 변수의 실시간 복합 제어 등 모션 제어 기능의 유연성 때문이다. 서보 드라이브 및 모터 시스템과 결합된 전동 액추에이터는 위치를 무한대로 제어할 수있으며 정확도와 반복성 수준은 유압 시스템의 기능을 훨씬 뛰어 넘는다.

▲ 유압 실린더와 필요한 구성품은 전기 액추에이터보다 더 복잡하다. 사진 왼쪽은 전동 엑추에이터, 오른쪽은 유압 실린더

• 추력 기능: 유압이 만들어낼 수 있는 극한의 힘을 전기 기술로 달성하는 것은 전적으로 가능하다. 액추에이터 및 서보 부품 제조업체는 사용하기 쉬운 모션 제어 크기 조정 소프트웨어를 제공하므로 시스템을 쉽게 지정할 수 있다.

• 힘 제어: 전자기계식 액추에이터를 사용하는 서보 시스템은 토크를 지속적으로 모니터링한다. 이 토크는 액추에이터의 힘과 상관 관계가 있다. 유지보수나 시스템 조정 없이도 힘의 일관성이 한자릿수 퍼센트 포인트 이내로 유지되는 경우는 드물지 않다.

• 위치 제어: 폐쇄 루프 제어를 사용하면 외부 센서 없이도 여러 위치를 쉽게 달성할 수 있다. 이러한 위치 설정 시간은 빠르고 반복성이 높다.

• 온도: 전동 액추에이터는 일반적으로 온도 변화에 영향을 받지 않는다. 일정한 점도와 성능을 유지하기 위해 오일을 가열 및 냉각해야 하는 유압식 액추에이터와는 다르다. 이러한 요소는 모두 환경과 애플리케이션에 따라 달라진다.

• 수명 및 유지보수: 애플리케이션의 수명에 맞는 크기의 전동 액추에이터는 유지보수가 거의 또는 전혀 필요하지 않다. 주기적 으로 그리스를 추가해야 하는 경우도 있지만 교체해야 하는 필터나 유체는 없다.

• 데이터 수집: 유압 실린더는 작업 지점에서 발생하는 위치, 속도, 힘 및 기타 요소를 추적하고 모니터링하기 위해 고가의 복잡한 서보 유압 시스템 및 추가 센서가 필요하다. 이러한 요소는 모두 전동 액추에이터의 서보 시스템에 내장되어 있다.

• 효율성/유틸리티 비용: 전동 액추에이터 시스템은 일반적으로 75-80% 효율 범위에서 작동하고, 유압 액추에이터 시스템은 일반적으로 40-55% 효율 범위에서 작동한다. 효율성은 전력 소비와 궁극적으로 유틸리티 비용에 영향을 미친다.

• 환경 문제: 전동 액추에이터는 유체를 포함하지 않기 때문에 유압 시스템과 달리 오염 위험이 없다. 이러한 요구 사항은 자동화 프로세스에서 점점 더 보편화되고 있다.

총 소유 비용, 빙산의 원리
 

오랫동안 유압 장치를 사용해 온 엔지니어는 유지 관리, 폐기 및생산성 손실의 총 비용을 인식하지 못할 수 있다. 빙산의 원리에서 생각해 보자. 유압 실린더의 비용은 전기 액추에이터보다 낮다. 숨겨진 비용은 수면 아래에 있다. 설치, 운영 비용, 폐기 비용, 환경 비용은 모두 시스템의 총 소유 비용에 추가된다. 

전기 서보 시스템은 유압 시스템보다 설치 비용이 더 많이 들 수있다. 하지만 그게 전부는 아니다. 전기 시스템은 시스템 수명 동안 유지 관리가 거의 또는 전혀 필요 없이 더 정확하고 유연하며 효율적으로 작동한다. 결과적으로 장비 수명 동안 총 소유 비용이 낮아 유압 장치에 대한 매력적인 대안이 된다.

전기 작동 시스템이 유압식 시스템에 비해 총소유비용이 낮은 이유는 다음과 같다.

• 향상된 프로세스 제어: 완벽한 모션 제어 유연성, 정확하고 반복 가능한 모션 제어, 프로세스 최적화 제공

• 향상된 안정성: 간소화된 전동 액추에이터 시스템, 유지보수 최소화 또는 불필요, 예측 가능하고 길며 일관된 수명

• 효율성 향상: 고효율 서보 액추에이터 시스템, Power on Demand

• 향상된 위험 완화: 클린 전동 액추에이터 기술(누수 없음), 안전한 작업 환경

크기 조정 및 변환 팁
 

유압 실린더를 전동 액추에이터 시스템으로 전환하려면 힘, 모션 프로파일, 전동 액추에이터 기술이라는 세 가지 주요 변수를 이해해야 한다.

변환 과정의 첫 번째 단계는 수행되는 작업의 양을 이해하는 것이다. 이 작업(힘)은 실린더의 유압의 함수이다. 그러나 유압에 의해 가해지는 힘을 정확하게 측정하는 것은 까다로울 수 있다.

가장 일반적인 결론은 유압 시스템의 최대 정격 압력을 사용하는 것이다. 이 가정은 이전의 엔지니어링 작업으로 인해 유압 시스템의 크기가 크게 초과되지 않았다는 것을 전제로 한다. 유압 실린더의 크기를 초과하는 것은 시스템의 전체 비용에 상대적 으로 작은 영향을 미칠 수 있기 때문에 흔히 발생한다. 이것은 전기 액추에이 터와는 다르다. 설계에 너무 많은 안전 여유가 포함되면 전기 액추에이터의 비용에 큰 영향을 미칠 수 있다. 가장 큰 실수는 힘 계산 과정을 지나치게 단순화하는 것이다.

유압 실린더를 전동 액추에이터로 변환하는 것은 시스템 기능을 계산하는 것만큼 간단하지 않다. 종종 아래 표시된 기본 공식을 사용하여 이 작업을 수행한다. 시스템의 최대 정격 압력을 실린더의 전체 피스톤 영역에 적용 하기 때문에 이를 시스템 압력 방법이 라고 한다. 그러나 시스템 압력 방법을 사용하여 계산하면 크기가 과도하고 가격이 비싼 전동 액추에이터 솔루션이 된다.

유압 시스템의 전체 역학은 항상 완전히 정의되거나 알려져 있지 않을 수 있다. 이 때문에 엔지니어는 적절한 작동을 보장하고 안전 계수를 구축하기 위해 보수적인 값을 적용하는 경우가 많다. 이러한 접근 방식은 거의 항상 크기가 크고 가격이 비싼 전동 액추에이터 솔루션으로 이어진다.

액추에이터의 크기가 과도하게 커지는 것을 방지하려면 유압 실린더의 실제 피크 및 연속 작동력을 결정해야 한다. 이를 위한 가장 좋은 방법은 작동 중 애플리케이션의 값을 기록하는 것이다. 이는 특히 기존 기계에서는 어려울 수 있다. 정확한 압력 수치를 구하기는 어려울 수 있지만 실제 힘의 15% 이내의 압력 추정치라도 합리적인 범위를 제공할 수 있다.

가장 좋은 방법은 로드셀을 사용하거나 애플리케이션에 설치된 전기 액추에이터를 사용하여 이러한 적용력을 결정하는 것이다. 그러나 이는 기존 기계나 장비에서는 구현하기 어렵거나 불가능할 수 있다.

차선책이자 가장 실용적인 방법은 공정이 작동하는 동안 실린더의 유압을 측정하는 것이다. 일반적으로 유압 시스템에는 압력을 측정할 수 있는 세 가지 영역이 있다. 작업 지점에 더 가까이 다가 갈수록 더 정확하게 측정할수 있다.

▲ GOOD: 밸브의 압력을 측정한다. 이는 변환 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용된다. 작업 지점 에서 가장 먼 거리이므로 실제 압력과 측정된 압력의 오차가 커질 수 있다. BETTER: 밸브와 실린더 사이의 압력을 측정한다. 압력 보상형 유량 제어 및 니들 밸브 또는 기타 인라인 액세서리가 압력에 영향을 미칠 수 있다. BEST: 실린더의 압력을 측정한다. 압력을 측정하기에 가장 정확한 위치는 작업 지점 에서 가장 가까운 곳이다. 이 영역은 접근성이 가장 떨어질 수 있다.

가장 정확한 방법
 

실린더의 양쪽 면에 작용하는 힘 계산

피스톤의 로드 면적 = 보어 면적 - 로드 면적

적용 힘 = 양쪽 면의 힘 차이

힘 = (면적1 (πr 2 ) x P1) - (면적1 (πr 2 ) x P2)

시스템의 작동 압력뿐만 아니라 리턴 압력도 측정하는 것이 좋다. 모든 유압 시스템은 다르다. 일반적으로 리턴 라인에는 최소한의 역압이 있지만 일부 시스템에서는 실린더와 밸브 사이에 높은 역압이 있을 수 있다. 이러한 경우이 압력은 실린더의 출력력에 영향을 미친다(아래 공식 참조).

가장 정확한 힘 계산은 실린더의 막힌(피스톤) 끝과 막대 끝의 역학을 결정 한다. 표면에 압력이 가해질 때마다 힘이 발생한다.

따라서, 확장 동작 중에 실린더의 로드 끝에 역압력이 가해지면, 실린더의 블라인드 끝에 작용 하는 1차 작동 압력에 의해 가해지는 힘의 일부가 상쇄된다. 이 점을 고려해야 한다. 이러한 힘과 결과적인 힘을 계산할 때, 이를 이중 힘 방법이라고 한다. 아래의 예는 상대적으로 높은 역압력과 1차 작동 압력을 비교한다.

시스템의 압력 등급이 1500 PSI [103 bar]라고 가정하고 이를 힘 평가의 기준으로 사용한다. ‘면적 X 압력’ 방법을 사용하고 동일한 실린더 크기를 사용하면, 532 lbf [2366 N]의 추력만 필요하지만, 필요한 것보다 5 배 더 큰 시스템을 만들었을 것이다.

이 예는 일반적인 유압 시스템이 생성할 수 있는 힘에 비해 매우 작은 힘을 사용하지만, 정확한 응용 데이터를 식별하고 사용하는 것의 중요성을 강조한다.

유압 실린더의 크기를 결정할 때, 더 큰 힘을 얻기 위해 더큰 보어 크기를 선택하여 크기를 초과하는 데는 수백 달러의 비용만 들 수 있다. 그러나 전기 액추에이터를 필요한 힘 용량의 두 배 또는 세 배로 과대하게 선택하면 시스템에 수천 달러의 불필요한 비용이 추가될 수있다. 따라서 전기 액추에이터 시스템의 크기를 적절 하게 측정하는 것이 중요하다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)