VFD 60Hz의 장벽 뛰어넘어, 기어모터 시스템의 성능을 극대화하는 방법
가변 주파수 드라이브(variable frequency drives)라고 불리는 VFD의 실행은 60Hz 이하에서 하는 경우가 대부분이다. 북미 지 역의 거의 모든 VFD는 이 공칭 주파수 미만에서 작동한다. 그러 나 점점 더 많은 수의 고성능 기어모터 시스템이 VFD 작동 주파 수를 최대 80, 90 또는 120Hz까지 올려, 보다 공격적인 제어 접근 방식의 이점을 누린다. 높은 주파수에서 VFD를 작동하면 △ 관성 불일치를 줄여 안정성 향상 △ 가용 속도 범위 확대 △ 저속에서 모터 과열 제거 △ 소형 모터 사용 가능 등과 같이 기어 모터 성능 을 크게 향상할 수 있다. 그러나 이러한 이점을 얻으려면 설계시에 추가적인 고려가 필 요하다. 모터를 60Hz 이상으로 구동하면 기어비와 사용 가능 한 토크가 변경되며, 이것은 부하 토크와 조화를 이루어야 한다. 이 기사에서는 기어 모터를 60Hz 이상으로 올려야 하는 이유와 60Hz 장벽을 안전하고 효과적으로 넘는 방법을 알아보고자 한다. 또 넓은 속도 범위에 적합한 기어 모터를 선택하는 방법에 대 한 일반적 예를 살펴본다. 60Hz의 장벽 허물기 그렇다면 60Hz의 중요한 의미는 무엇인가? 북미에서 사용하도 록 설계된 VFD에서 이 작동 주파수는 유도 전동기의 일정한 토 크와 일정한 마력 영역 사이의 경계를 나타낸다(그림1 참조). 모 터의 자속으로 설명하면 일정한 토크 영역은 모터의 일정한 자 속 영역을 나타내고, 일정한 마력 영역은 모터의 약자속(field weakening) 영역에 해당한다. 60Hz는 모터의 약자속 지점이라 고도 할 수 있다. 0Hz에서 60Hz까지의 영역: • 토크가 일정하다. 토크(lb-in) = 63,025 * HP / 속도(RPM) • 전압 대 주파수 비율도 일정하다. 예를 들어 230V/30Hz는 460V/60Hz와 같다. 많은 엔지니어들은 인버터와 기어모터가 이 60Hz 임계값 주변 에서 설계되어야 한다고 가정한다. 그리고 기어 모터 공급업체 는 대부분의 카탈로그 및 사양 데이터가 60Hz에 대해 제공되 기 때문에 이 공칭 주파수를 중심으로 쉽게 설계할 수 있다. 그러 나 세심하게 설계된 드라이브 시스템과 정확한 비율을 사용하면 입증된 두 가지 제어 방법 즉, 약자속(field weakening)과 과급 (supercharging)중 하나를 사용하여 작동 주파수 한계를 60Hz 이상으로 높일 수 있다. 두 방법 모두 애플리케이션에 따라 다음 과 같은 이점을 제공한다. ▷ 관성 불일치 감소: 60Hz 이상의 구동 모터는 더 높은 입력 속도 를 수용하기 위해 더 큰 기어비가 필요하다. 비율 증가는 작동 주파수에 따라 최대 100%까지 가능하다. 이 비율 증가는 더 나은 시 스템 안정성을 위해 반영된 부하 관성을 줄여야 할 때 유용할 수 있다. 안정성을 위해서는 반영된 부하 관성이 모터 관성에 최대한 가까워야 한다. 부하 관성은 기어비의 제곱에 의해 모터 샤프트에 반영되기 때문에 속도와 비율을 높이면 반영되는 부하가 크게 줄 어든다. 예를 들어 비율을 두 배로 하면 반사 관성이 4배로 줄어 든다. ▷ 속도 범위의 확장: 60Hz 이상에서 작동하면 주어진 기어 모터 에서 사용 가능한 속도 범위를 넓힐 수 있다. VFD 작동 주파수를 60Hz 이상으로 올리면 속도 범위는 상단에서 분명히 증가된다. 그러나 하단에서도 속도 범위가 증가한다는 것은 확실하지 않다. 일반적으로 저속으로 작동하는 유도 전동기는 축에 장착된 팬이 너무 느리게 회전하여 열을 발산할 수 없게 되면 냉각 문제가 발생 한다. 별도로 배선된 송풍기는 더 시원하게 유지할 수 있지만 송풍 기는 모터의 초기 및 지속적인 운영 비용을 증가시킨다. 대체 냉각 방법에는 모터가 생성하는 토크의 양을 줄이는 것이 포함되며, 이 는 모터가 끌어오는 전류의 양을 낮춘다. 300RPM(4극 모터의 경 우 10Hz) 미만에서는 유도 모터를 충분히 냉각시키는 데 필요한 토 크 감소가 50%까지 선형으로 감소하기 시작한다(그림1 참조). 그러나 60Hz 이상의 모터를 구동하면 값비싼 송풍기나 토크 제한 없이도 저속 냉각 문제를 해결할 수 있다. 약자속 모터는 더 높은 기어비와 함께 사용되기 때문에 60Hz 이상에서 필요한 토크를 제공하는 기어모터는 본질적으로 60Hz 미만에서 여유 토크 를 갖게 된다. 결과적으로 모터는 여전히 토크 요구 사항을 충족 하면서 60Hz 미만에서 더 느리고 더 차갑게 작동할 수 있다. 즉, 60Hz 이상에서 작동하도록 크기가 조정된 기어모터는 열 버 퍼를 얻게 되어 모터가 60Hz 미만에서는 더 시원하게 작동하고 송풍기 없이 10Hz 미만에서는 작동할 수 있어 속도 범위가 상당히 확장된다. 고정토크 응용 분야에서는 이 접근 방식을 쉽게 활용할 수 있다. 그러나 많은 가변 토크 애플리케이션도 마찬가지다. ▷ 보다 작은 모터: VFD 주파수를 60Hz 이상으로 올리는 것의 또 다른 이점은 때때로 가변 토크 또는 과급 애플리케이션에서 더 작 은 모터를 사용할 수 있다는 것이다. 더 작은 모터는 과급 모터가 실제로 60Hz에서보다 120Hz에서 두 배의 전력을 갖기 때문에 발생하며, 이는 종종 많은 엔지니어에게 놀라운 일이다. 예를 들 어, 60Hz 명판이 1HP인 모터는 실제로 120Hz에서 2HP가 된다. 애플리케이션에서 더 작은 모터의 사용이 가능하면 모터 구매 가 격뿐만 아니라 지속적인 운영 비용도 절약할 수 있다. 60Hz 이상으로 구동 60Hz 이상의 모터 구동의 이점에도 불구하고 대부분의 엔지니어 는 드라이브의 주파수를 높이는 것을 고려조차 하지 않는다. 그러 나 이 색다른 제어 전략은 다양한 응용 분야에서 성능을 향상시킬 것이다. 그 중에는 컨베이어 및 호이스트와 같은 고정 토크 응용분야와 배치 믹서 또는 펌프와 같은 가변 토크 응용 분야가 있다. 애플리케이션에 관계없이 60Hz 이상으로 올리려면 사전에 약간 의 추가 작업이 필요하지만 속도, 냉각, 관성 또는 비용 문제를 해 결한다면 노력할 가치가 충분히 있을 것이다. ▷ 방법 1: 최대 60Hz 약자속 없이 최대 주파수는 60Hz로 설정한다. <그림1>에서 모터 가 송풍기 없이 안전하게 작동할 수 있는 최저 속도는 300RPM이 다. 따라서 4극 모터의 해당 주파수를 결정하려면 Hz 공식을 사 용한다. • Hz = RPM * 극 수 / 120 • Hz = 300 * 4 / 120 = 10 기어 모터에 허용되는 속도 범위는 10–60Hz이며, 이는 6:1에 불 과하여 필요 애플리케이션에 충분하지 않다. 따라서 10Hz 이하에 서 동작하기 위해서는 보조 송풍팬이 필요하다. ▷ 방법 2: 필드 약화 7.5HP에 대한 제조업체의 항복 토크(breakdown torque)를 보면 최고 속도를 85Hz에 할당하는 것이 허용된다. 1단계: 부하 토크 결정 일정한 토크 적용을 위해 항상 토크 공식에서 최고 속도를 사용한다. • TLoad = 63025 * HP / 최고 RPM • TLoad = 63025 * 7.5 / 140 = 3375lb-in 2단계: 60Hz에서 RPM 결정 최고 속도는 85Hz로 설정되어 있으므로 60Hz 속도를 계산한다. • [85 / 140] = [60 / X] • X = 99 따라서 60Hz 카탈로그에서 7.5 HP, 99 RPM을 선택한다. 3단계: 10-60Hz에서 사용 가능한 토크 결정 사용 가능한 토크 @ 10-60Hz는 열 버퍼(thermal buffer)를 제 공하는 데 필요한 부하 토크보다 높다. 토크 공식과 60Hz 속도를 이용한다. • TAvail = 63025 * HP / RPM60Hz • TAvail = 63025 * 7.5 / 99 = 4770lb-in 4단계: 저속 결정 모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다. • RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300 • RPM = [600 * 3375 / 4770] – 300 = 124 Hz 공식에서, • Hz = RPM * 4 / 120 : Hz = 124 * 4 / 120 = 4 따라서 허용 가능한 속도 범위는 4~85Hz(21:1)로 충분하다. 60Hz 이상의 다른 주파수에 대해 2-4단계의 계산을 반복하면 아 래와 같은 결과가 나온다. 하단 3개 행은 속도 범위가 최소 12:1이 므로 허용 가능한 옵션이다. 그러나 최대 열 버퍼 및 최대 속도 범 위를 갖는 솔루션은 4-85Hz이다 (그림3 참조) ▷ 방법 3: 과급(supercharging) 과급 시 60Hz 이상에서는 토크 감소가 없다. 대신 10~120Hz의 일정한 토크가 있다. 그러나 VFD, 기어 감속기의 크기 또는 기타 이유로 인해 120Hz까지 가는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 1단계: Hz 범위 결정 최대 Hz에 따라 속도 범위를 선택한다. 이 예에서는 100Hz가 원 하는 최대값이다. 10-100Hz는 정토크인데 10:1에 불과하다. 12:1 범위를 달성하려면 낮은 Hz를 계산한다. • 100 / 12 = 8Hz 따라서 8-100Hz가 필요하다. 그러나 8Hz에서 환풍기 팬을 사용 하지 않으려면 열 버퍼가 있어야 한다. 8Hz가 허용되는지 확인하 려면 다음 단계를 수행한다. 2단계: 60Hz에서 RPM 결정 최고 속도(140 RPM)가 100Hz에 할당되었으므로 60Hz 속도를 계산한다. • [100 / 140] = [60 / X] • X = 84. 따라서, • 기어비 = [1750 / 84] = 21 3단계: 60Hz에서 HP 결정 10~100Hz에서 토크는 일정하지만 HP는 비례적으로 변한다. 토 크 공식을 재배열하여 60Hz에서 필요한 HP를 계산한다. • HP60 = [ TLoad x RPM60 ] / 63025 • HP60 = [3375 x 84] / 63025 = 4.5 HP 공칭 5 HP 모터를 사용한다. 4.5보다 크므로 8Hz만큼 낮은 작동을 허용하기에 충분한 버퍼를 제공한다. 또한 방법 2에서 사용된 7.5HP 모터보다 작다. 4단계: 60Hz에서 사용 가능한 토크 결정 토크 공식을 사용하여 5 HP 모터에서 사용 가능한 토크를 계산한다. • TAvail = 63025 * HP / RPM60 • TAvail = 63025 * 5 / 84 = 3750lb-in 5단계: 최저 속도 결정 모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다. • RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300 • RPM = [600 * 3375 / 3750] – 300 = 240 Hz 공식에서, • Hz = 240 * 4 / 120 = 8 따라서 8-100Hz 속도 범위는 5 HP에 서 허용된다(그림4 참조). 6단계: VFD 크기 결정 VFD에 필요한 전력은 부하에 따라 다르며 100Hz까지 증가한다. • HP100 = [3375 x 140] / 63025 = 7.5 HP 자료제공: Sew-Eurodrive(www.sew-eurodrive.com)
철 손실이 BLDC 모터 선택에 직접적으로 미치는 영향
엔지니어는 다양한 산업과 시장 전반에서 중요 장치 및 응용 제품의 성능, 효율성 및 소형 디자인을 지속적으로 개선하기 위해 노력한다. 혁신을 획기적으로 발전시키고 필수 구성 요 소의 성능과 효율성을 지속적으로 발전시키는 것이 목표이기 때문이다. 이러한 목표는 많은 사람들의 삶을 구하고 개선하 고 향상시키는 데 매우 중요한 초소형 전기 모터 분야에 특히 해당한다. 모터 성능의 한 가지 주된 측면은 기계력과 전자력의 비율로 정의되는 효율성이다. η =기계력 /전력 효율성은 모터의 가열과 소비 전력에 직접적인 영향을 미치 기 때문에 가용 공간을 최대한 활용하기위해 세심한 주의를 기울여 선택해야 한다. 이 기사에서는 BLDC 모터의 효율성 및 손실과 모터 설계 및 선택 절차에서 효율성 및 손실이 어떤 방식으로 핵심적인 역할을 하는지 살펴보도록 하겠다. BLDC 모터의 다양한 손실 BLDC 모터의 목적은 전력(U*I)을 기계적(T*ω)으로 변환하 는 것이다. 그러나 모터는 100퍼센트 완벽할 수 없기 때문에 전기력을 기계력으로 변환하는 과정에서 3가지의 주된 손실 유형인 마찰 손실, 구리 손실 및 철 손실이 발생한다. 전기력 – (마찰 손실 + 구리 손실 + 철 손실) = 기계력 • 마찰 손실: 마찰 손실은 볼/부시 베어링에 의해 발생하며 시 스템 사용(속도, 하중, 가속) 및 환경(온도, 먼지 등) 뿐만 아 니라 재료, 마모, 윤활 및 실링을 비롯한 베어링의 본질적 매 개변수에 따라서도 달라진다. • 구리 손실: 구리 손실은 줄 손실이라고도 하며, 코일의 저항 에 의해 발생한다. 토크는 전류에 선형적으로 정비례하므로 (T=k*I) 모터가 더 큰 토크를 제공할수록 구리 손실이 더 높 게 발생한다. 이 현상은 아래 이차 함수를 따른다. 구리 손실 = R * I² 모터가 가열되면 저항이 증가하여 아래 방정식에 따라 효율이 감소한다. R = R (1 + γ. ΔTemp) (*R0: 주변 저항(Ω) 값(데이터시트에 제공) γ: 구리의 0.004/°C의 저항 계수 ) • 철 손실: 철 손실은 오해하기 쉬울 수 있지만 모터 성능에 상당한 영향을 미친다. 손실은 재료에 대한 자속 변동의 주파수에 따라 크게 달라져서 모터 회 전이 빠를수록 손실이 더 크게 발생한다. 이 현상을 더 잘 이해하기 위해 작은 실험을 수행 할 수 있다. 자석을 약간의 강자성(구리 또는 알루미늄) 튜브로 던지면 떨어지는 자석의 속도가 예상보다 훨씬 느린 현상을 관찰할 수 있다. 튜브를 플라스틱으로 교체하거나 자석을 크기와 중량 이 같은 금속 조각으로 교체하여 이를 비교할 수 있다. 이런 현상이 일 어나는 이유는 무엇일까? 렌츠의 법칙에 따르면 자석이 튜브를 통과하 여 떨어질 때 자기장이 변화하여 전류를 발생시키는 변화의 반대 방향 으로 전류 흐름이 유도된다. 이 때문에 자석 속도가 느려진다. 렌츠의 법칙 : 유도 EMF =- (ΔΦ/Δt ) (ΔΦ/Δt ) =자속의 변화율 철 손실은 두 가지 현상에 의해 생성된다. ⇒ 와류(Eddy current) : 패러데이의 법칙에 따르면 자기장이 도체에 적용되면 이를 통해 전류가 발생한다. 그리고 재료에는 특정한 전기 저 항이 있기 때문에 일부 손실이 발생한다(R*I²). 와전류 손실= RI≅C. B . f . t . V RI (*C는 모터 설계와 재료에 종속된 상수 B는 재료의 자기장(T) f는 초당 자기 역전의 주파수(Hz) t는 재료의 두께(m) V는 도체의 부피(m³) ) 이전 공식을 사용하여 이러한 와전류 손실에 큰 역할을 담당하는 매개 변수를 확인할 수 있다(그림3). 자기장 역전의 주파수가 모터의 속도만큼 실질적인 영향을 미친다는 것은 놀라운 일이 아니다. 자기 장의 강도와 재료의 두께 역시 중요한 역할을 한다. 재료의 두 께가 미치는 영향을 줄이는 효과적인 방법은 핵심 재료를 라 미네이션하는 것이다. 이렇게 하면 전류가 이동할 경로가 작 아져서 하나의 큰 전류 대신 여러 개의 작은 전류로 분할된다. 손실은 전류의 제곱 값으로 발생하므로 이는 매우 효과적이 다(t/2 => i/2 => 와전류/4). 한 가지 유념할 점은 2개의 라 미네이션 사이를 흐르는 전류를 피하기 위해서는 각 라미네 이션이 코팅을 통해 서로 절연되어야 한다는 것이다. ⇒ 이력현상(Hysteresis): 자속이 강자성 재료로 역전되면 재 료가 자화되고 자기 소거되어 에너지 손실이 발생한다. 자속 밀도를 제거하려면 반대 자속을 제공하여 보자력 지점을 통 과해야 한다.(그림4) 이러한 손실은 주로 회로의 자기 유도에 따라 좌우되지만 재 료 특성(예를 들어, 투자율과 부피)과 자속 변동의 주파수에 의해서도 달라진다. 이 때문에 적합한 속도를 위한 적절한 재 료를 선택하는 것이 중요하다. 스타인메츠 방정식은 이러한 이력현상 손실을 계산하고 각 매개 변수의 영향을 효과적으 로 이해하는 데 도움이 된다. 이력현상 손실 = k * V * f * B *k 재료에 따른 상수 /V 자기 회로의 부피(m³) f 자기장의 주파수(Hz) /B 자기 회로의 최대 유도(T) / n 재료에 따른 계수(1.6~2 사이) 고성능 달성을 위한 다양한 전기 모터 설계 전기 모터에서 발생하는 다양한 손실은 모터 설계에 따라 모 터가 특정 온도를 초과할 경우 연소될 수 있으므로 최대 전력 을 제한한다. 다시 말해서 특정한 작동점(토크 및 속도)에 따 라 적절한 모터를 선택하는 것이 매우 중요하다. 줄 손실은 주 로 토크 생성 시 발생하고 철 손실은 일반적으로 높은 속도에 서 발생한다. 이 때문에 주어진 모터에서 가능한 최대 연속 토 크는 속도 증가 시 줄어든다.(그림5) 폴 수의 영향 자석의 폴 수를 바꾸면 모터 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 긴 모터에는 폴이 2개이고 고속에서 작동할 수 있 다. 그러나 폴 수를 늘리면 모터의 최대 토크가 증가하고 철 손실도 커지므로 최대 연속 속도가 줄어든다. 철 손실은 유사 한 속도에서 자속 변동의 주파수에 크게 좌우되기 때문에 폴 수를 늘리면 한 번의 모터 회전에서 변동 수가 증가한다. 와전 류 손실의 경우 증가한 주파수의 제곱으로 발생하여 모터의 효율성을 빠르게 감소시킬 수 있다. 모터의 출력 곡선은 손실을 포함하여 25°C의 공기에서 모 터의 연속 작동의 한계를 보여준다. <그림6>에서는 패키지 가 동일하지만 한 개 모터에는 폴이 2개이고 두 번째 모터에 는 폴이 4개인 Portescap 모터 2개를 비교한다. 4개 폴 모터 (22ECT60 – 토크 최적화)는 2개 폴 모터(22ECS60 – 속도 최적화)에 비해 토크 기능을 빠르게 상실하는 동시에 속도가 증가하는 것을 명확히 볼 수 있다. 결론 전기 모터를 선택할 때 모터의 한계는 열이므로 다양한 손실 을 고려하는 것이 중요하다. 철 손실은 특히 높은 속도에서 또 는 다극 높은 토크 디자인에서 모터 효율성에 핵심 역할을 한 다. 줄 손실과 철 손실 간 비율을 최적화하면 에너지가 보존되 고 개선된 장치를 개발할 수 있다.Portescap 관계자는 “이러한 특성을 철저하게 이해하고 성 능이 높고 손실은 감소된 모터를 설계하기 위해 각별히 주의 를 기울인다. 하나의 설계가 모든 응용분야에 적합한 것은 아니므로 Portescap 팀은 중요한 작동점을 가지고 장치와 응용 분야를 다루는 다양한 모터 기술 포트폴리오를 개발하기 위 해 노력하고 있다”고 말했다. 자료제공: Portescap (www.portescap.com)
소형 리니어 모션 시스템으로 휴대용 치아 3D 스캐너 개발
치과 장비회사의 설계 엔지니어에게 어려운 과제가 주어졌다. 이 회사의 개발팀은 치과 진료실에서 치아의 모습을 3D로 촬영하는 업계 최초의 휴대용 치아 스캐너를 개발해야 했던 것이다. 스캐너 의 작은 크기 때문에 시장에서 구할 수 없는 소형 선형 모션 및 측 정 시스템이 필요했다.이에 따라 설계자가 직면한 질문은 다음과 같았다. 내부적으로 새로운 선형 모션 및 측정 시스템을 개발할 것인가, 아니면 스캐 너의 고난이도 사양을 충족하기 위해 제품을 맞춤화할 수 있는 공 급 업체를 찾을 것인가. 이는 오늘날 많은 의료, 치과 및 생명 공 학 장비 회사의 엔지니어가 직면하는 문제라고 할 수 있다. 제품 개발팀은 제품을 더 작고, 더 가볍고, 보다 더 정확하게 만들어야 한다는 큰 압박을 받고 있다. 그들은 리니어 모션 및 측정 요구사 항을 충족시키기 위해 점점 더 공급업체와의 협력적인 맞춤화를 실천하고 있는 현실이다. 협업의 이점 공급업체가 원래 OEM을 위해 맞춤형 엔지니어링을 수행하는 개 념은 전혀 새로운 것이 아니다. 그러나 제품 수명 주기와 예산이 줄어들면서 더 협력적인 접근 방식이 인기를 얻고 있다. 리니어 모션 및 통합 시스템에서의 협력적인 맞춤화는 공급업체와 OEM 간의 긴밀한 파트너십을 포함한다. 밀접하고 높은 커뮤니케이션 및 투명한 관계를 유지함으로써, 설계 및 비용 측면에서의 혁신이 가능해진다.협력을 통한 이점은 다음과 같다. • 하위 어셈블리에 기능을 통합하면 구성 요소 수가 줄어듦 • 제조기반의 설계로 조립 시간과 비용 절감 • 단일 소싱은 기술 지원 및 문제 해결을 위한 단일 창구 제공 • 병렬 엔지니어링 노력으로 제품 개발시간 단축 고객 맞춤화로 인해 초기가격이 더 높아질 수 있지만 위에 언급된 이점은 일반적으로 총 소유비용을 줄이고 OEM의 비용 목표를 달 성한다. 또한 현재 시장에서 구할 수 없는 고객 중심의 제품을 만 드는 데에 일조한다. 리니어 모션과 측정을 통합 리니어 모션 및 측정 시스템은 치과 및 의료 장비, 생명 과학 기기 및 광학 시스템의 핵심 기술이다. 과거에는 이러한 기능을 통합하 기 위해 별도의 하위 시스템이 필요했다. 기존의 리니어 모션 및측정 시스템은 규모가 커서 작동을 통합하기 위해 추가 엔지니어 링 작업이 필요했다.SCHNEEBERGER는 고정 캐리지와 레일로 구성되어 최대 300m/s2의 가속도로 앞뒤 움직이는 새로운 기술인 ‘MINISCALE PLUS’를 만들었다. 이 통합 스케일을 사용하면 0.1um 분해능으 로 센서를 배치할 수 있다. 측정이 작업공정 부근에서 이루어지 기 때문에 이 장치는 움직임이 매우 정확하다. 모듈로 제공되는 MINISCALE PLUS는 OEM 제품에 간단히 적용할 수 있다. 즉, 시 스템 복잡성이 감소하고 개발 프로세스가 크게 가속화된다. 협력 파트너 선정 모든 리니어 모션 공급업체가 제품 및 시스템 맞춤화를 위해 자원 과 능력을 갖추고 있는 것은 아니다. 또 적절한 맞춤화 파트너를 선택하는 것은 가격만을 기준으로 해서는 안 된다. 공급업체를 평 가할 때 다음의 특성과 능력을 고려하는 것이 중요하다. • 리니어 모션 및 측정시스템에 중점을 두고 혁신문화로 운영되 는 깊은 엔지니어링의 전문성 • 맞춤형 제품의 새로운 생산 요구사항에 적응할 수 있는 유연한 제조 시스템. 여기에는 고품질 구성요소를 비용 효율적으로 구 축할 수 있는 린 규칙(lean rules) 및 인더스트리 4.0 프로세스 통합이 포함된다. • 납품 요구사항에 대한 안정적으로 충족되는 믿음 • 시장 수요의 변동을 수용할 수 있는 유연성 협업 통한 맞춤화 도입 최근 치과 장비 제조업체와의 프로젝트는 협력적인 맞춤화의 성 공적 적용사례를 보여준다. OEM은 환자의 치아에 대한 크라운, 브릿지, 임플란트를 위한 3D 입상을 진행할 수 있는 새로운 핸드 헬드 인트라오랄 스캐너(handheld intraoral scanner)를 제작 하고자 했다. 이 장치는 센서를 담을 수 있는 리니어 모션 및 측정 시스템이 필요하며 핸드헬드 형태로 디자인되어 극히 작고 정확 한 움직임을 수행해야 했다. 이 스캐너의 소프트웨어는 이미지를 처리하여 환자 치아를 3D로 표현한다. 회사 엔지니어링 팀은 SCHNEEBERGER의 MINISCALE PLUS 시스템이 휴대용 제품의 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있다고 믿었으며, 이 컨셉을 프로토타입에 설치했다. SCHNEEBERGER 기술을 프로토타입에서 테스트하는 동안, 표준 MINISCALEPLUS 시스템이 최종적인 스캐너 설계에 비해 너무 크다는 사실 이 분명해졌다. 리니어 모션 및 측정 시스템은 스캐너 기능의 핵심요소다. 치 과 장비회사는 MINISCALE PLUS의 구성요소를 소형화하기 위해 SCHNEEBERGER와 협력하여 맞춤화 작업을 진행했다. 두 회사 의 엔지니어링 팀의 궁극적 설계목표는 레일의 높이를 50% 줄이 고 시스템 무게를 80g에서 3g으로 줄이는 것이었다. SCHNEEBERGER의 엔지니어링 및 제조팀은 표준 MINISCALE PLUS 시스템이 OEM의 까다로운 사양을 충족하기 위해 전면적 으로 재설계가 필요하다는 것을 인식했다. 가장 중요한 것은 제품 제조 프로세스의 모든 측면을 수정하고 최적화해야 한다는 것이 다. 이 작업에는 원재료 선택, 사전 가공, 경화, 연삭 및 조립이 포 함되었다. 또한 각 구성요소는 린 프로세스를 사용하여 생산해야 했다. 협업을 통한 맞춤화 프로젝트의 이점은 매우 인상적이었다. • OEM의 제품 개발시간을 내부 엔지니어링 구성요소에 비해 20% 단축 • 고객의 비용 목표 달성 • 통합 MINISCALE PLUS 시스템에 더 적은 수의 구성요소와 플 러그 앤 플레이 방식으로 치아 스캐너에서 바로 사용할 수 있으 므로 OEM의 조립 비용 절감 • 모션 및 측정 시스템 모두에 대한 단일 책임 창구 및 기술지원 제공 가장 중요한 것은 새로운 치아 스캐닝 시스템의 도입으로 시장에 서 상당한 경쟁 우위를 갖게 되었다는 것이었다. 치과 의사들은 가벼운 무게, 사용 용이성 및 정확성과 더불어 환자 치료 방법을 개선할 수 있는 기회에 대해 모두 환영했다. 결론 의료 및 치과 장비, 생명 과학 기기 및 광학 시스템의 크기가 작아 짐에 따라, 리니어 모션 및 측정 시스템의 혁신이 중요해지고 있 다. 협력을 통한 맞춤화는 구성요소 소형화의 혁신을 위한 실행 가능하고 비용 효율적인 접근 방식이 되었다. 깊고 집중적인 엔지니어링 전문지식을 갖춘 공급업체와 협력함으로써 OEM은 제품 개발을 가속화하고 조립 비용을 낮추며, 시장에서 최고의 경쟁우 위를 달성하는 제품을 만들 수 있다. 자료제공: Schneeberger (www.schneeberger.com)
차세대 프레임리스 모터로 수술 로봇의 성능 향상시킨다!
의사들에게 있어서 환자들의 수술을 보다 더 정확하게 진행하고, 수술 과정에서 체내 조직으로 세균과 같은 미생물이 들어가지 않 도록 하는 것은 무엇보다도 중요한 일일 것이다. 환자의 수술 결 과를 좀 더 개선하고 도움을 줄 수 있는 수술 로봇을 설계하고 제 작할 수 있다면 어떨까? 수술의 결과는 특정 케이스의 어려움과 외과의사의 기술에 따라 달라지지만, 더 나은 도구는 더 나은 치 료를 지원하는 것이 사실이다. 이에 따라 이 기사에서는 차세대 모션 엔지니어링을 통해 어떻게 차세대 수술 로봇을 개발할 수 있 는지 살펴보기로 한다. 양팔을 최대한 가깝게 위치 기존의 수술용 로봇은 작은 카메라와 가위, 집게, 바늘 홀더, 클립 애플리케이터 등과 같은 다양한 기구를 들고 있는 여러 팔을 가진 로봇으로 이루어졌다. 수술에 따라서는 시각화 카메라와 필요한 모든 기구를 동시에 수용할 수 있는 단일의 작은 절개를 통해 이상적인 절차가 수행된다.만약 당신이 어떤 외과의사에게 물어보든지, 의사들의 답은 한 결 같을 것이다. 그들은 카메라와 수술기구가 절개 부위로 들어가 는 이상적인 접근 각도는 가능한 평행하고 서로 가까울수록 좋다 고 말할 것이다. 이는 외상을 최소화하고 카메라 시야와 각도 사 이의 불일치를 없애기 위해서다. 물론 동일한 접근 각도를 얻는 것은 불가능하다. 왜냐하면 각 도구는 동일한 공간을 차지할 수 없기 때문이다. 오늘날의 수술 도구는 매우 얇고 조밀하지만, 여러 도구가 배치되는 경우 단일 기둥, 다중 팔 디자인과 팔 관절의 엄청난 부피 때문에 여러 기구 가 배치될 때 접근 각도가 제한된다. 이것은 차세대 로봇을 설계 할 때 극복해야 할 주요 과제다. 팔 관절의 축 길이 최소화 독립형 암은 기존 설계에 비해 위치 지정에 훨씬 더 큰 유연성을 제공하므로 여러 암을 평행에 훨씬 더 가깝게 배치할 수 있다. 그 이상에 더 접근하려면 각 암의 부피를 최소화해야 한다. 암이 작 동할 수 있는 최소 간격은 팔 관절의 축 길이이다. 가능한 한 축 길이가 짧으면서도 필요한 모든 토크를 제공하는 모터와 기어 시 스템이 필요하다. 성능을 저해하지 않으면서도 절약된 1밀리미터 는 외과 의사들이 더 효과적으로 작업할 수 있도록 도와주며, 수 술 로봇에 대한 중요한 시장 경쟁력을 창출해 낸다. 기어링으로 시작 최적의 토크를 달성하면서도 축 길이, 총 부피 및 무게를 최소화 하는데 중요한 것은 축 길이가 짧은 고토크 모터이다. 그러나 모 터 자체의 축 길이 이상으로 기어링 및 피드백 장치도 조인트 내 에서 밀접하게 통합되어야 한다.궁극적으로 모터의 비교적 높은 속도 운동을 로봇 팔의 하중을움직이기에 필요한 낮은 속도와 높은 토크로 변환하는 것은 기어 링이다. 기어링의 선택은 조인트의 축 길이에도 영향을 미치기 때 문에 설계를 시작할 때 이곳에서 시작해야 한다. 이를 통해 로봇 팔을 최적의 속도로 정확하게 위치시키고 하중을 안정적으로 유지할 수 있다. 필요한 속도, 성능 및 하중 지점에 따라 적절한 기어 세트가 결 정된다. 어떤 비율이 요구되더라도 이 애플리케이션에는 스트레 인 웨이브 기술 즉 ‘하모닉’ 기어링이 필요하다.스트레인 웨이브 기어링은 세 가지 필수적인 이점을 제공한다. 관절 내에서 가장 컴팩트한 축 통합을 가능하게 한다. 일반적으로 는 기어 감속비가 30:1에서 320:1에 이르기 때문에 부드럽게 가 속·감속하고 정확하게 위치를 배치시킨다. 또 제로 백래시로 작 동하여 절차의 정밀도에 잠재적으로 영향을 미치거나 불필요한 외상을 유발할 수 있는 원치 않는 움직임을 최소화한다. 기어링과 열 요구조건에 부합되는 모터 적절한 기어 기술과 비율을 지정했으면 기어 비율, 암이 작동해야 하는 속도 및 유지해야 하는 질량에 따라 모터를 선택할 수 있다. 일반 또는 최대 부하에서 작동할 때 열 상승도 중요한 고려 사항 이 될 수 있다. 조인트의 좁은 범위에서 과도한 열이 기어 윤활제, 엔코더 전자 장치 및 근접한 기타 구성 요소를 손상시킬 수 있기 때문이다. 더 낮은 열 상승에서 최대 성능을 제공할 수 있는 모터 가 바람직하다. D2L 규칙 활용 모터 사양 프로세스의 일부로 D2L 규칙이라고 하는 그리고 자주 간과되는 모터 설계 원칙을 통해 축 길이를 더 줄일 수 있다. 로봇 관절 설계에서 모터의 직경은 일반적으로 사소한 문제다. 로봇 팔 이 최대한 가깝게 작동하도록 하려면 대신 축 길이를 최소화해야 한다. D2L 규칙을 사용하면 축 길이를 크게 줄이기 위해 더 큰 직 경을 교환할 수 있다.로봇 관절에 사용되는 프레임리스 모터에서는 모터 길이의 변 화에 정비례하여 토크가 증가하거나 감소하지만, 모터의 모멘트 암 제곱 변화에 비례해 증가하거나 감소한다. 다시 말해 D2L 규칙에 따라 모멘트 암을 두 배로 늘리면 전체 직경이 대략 두 배가 되며 토크가 4배 증가된다. 또는 수술용 로봇 설계와 관련하여 모멘트 암을 두 배로 늘리면 동일한 토크를 유지하면서 스택 높이를 4배 줄일 수 있다. 이는 설계 우선 순위가 가장 작은 축 길이를 달 성하는 것일 때 큰 이점이다. TBM2G로기계 및 열 효율 최적화 차세대 수술 로봇 성능을 위해 로봇 애플리케이션용으로 특별히 설계된 차세대 모터를 선택하면 좋다. Kollmorgen의 TBM2G 프 레임리스 모터는 직면한 모든 엔지니어링 문제를 해결하도록 설 계되었다.TBM2G 모터는 가장 컴팩트한 로봇 조인트에서 전례 없는 기 계적, 전기적 및 열적 효율성을 제공한다. 종단 회전 및 PC 보드를 포함하여 축 방향 길이가 1인치 미만인 크기로 제공되며 크기에 비해 모션 업계에서 가장 높은 토크 밀도를 제공한다. 또 훨씬 낮 은 열 상승으로 필요한 모든 성능을 제공하도록 설계되어 로봇 관 절에 있는 모든 구성 요소의 무결성과 성능을 보호해야 한다.TBM2G 모터는 또한 사용자 지정이나 수정이 필요 없이 쉽게 사용할 수 있는 제로 백래시, 높은 비율의 스트레인 웨이브 기어 세트와 함께 작동하도록 최적화되어 있다. 따라서 개발 시간을 단 축하고 신뢰할 수 있는 생산 공급에 의존하며 의사가 가능한 한 근접하고 병렬에 가깝게 기구를 작동할 수 있는 수술 로봇을 제공 할 수 있다. 자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)
Renishaw, 자체 센터링 금속 스케일 디스크 ‘CENTRUM CSF40’
Renishaw의 새로운 CENTRUM CSF40 스케일은 ATOM DX 엔코더 시리즈를 위한 혁신적인 금속 스케일 디스크이다. 로 터리 RCDM 유리 스케일은 CENTRUM 스테인리스 스틸 셀프 센터링 디스크와 결합된다. CENTRUM CSF40 스케일 디스크 는 적절한 크기의 샤프트에 밀어 넣을 때 스케일을 자동으로 중앙에 정렬되는 혁신적인 장착 기능으로 인해 빠르고 쉽게 설치할 수 있다. 이러한 정렬 기능을 통해 매우 일관된 설치 정확도로서 빠른 설치가 가능하다. CENTRUM 스케일 디스크는 디스크를 샤프트에 정렬하기 위해 스프링처럼 작동하는 특수 설계된 플렉서로 인해 훨씬 더 빠르고 쉽게 설치할 수 있다. CENTRUM 디스크의 장착은 3개의 볼트를 추가하고 미리 설정된 토크 값으로 조이면 완료 되며 추가 게이지나 설정 장치가 필요하지 않다. CENTRUM 디스크는 탄력 있고 세척이 쉬운 견고한 스테인리스 스틸로 제작되었다. 40미크론 피치 증분 눈금이 있는 CSF40 디스크 는 외부 직경이 38.4mm에서 120mm까지 다양한 크기로 제 공되며, CENTRUM 스케일 디스크와 호환되는 ATOM 엔코더 변형도 계획하고 있다. CENTRUM의 수석 설계 엔지니어인 Ben Carruthers Watt 는 “새로운 스테인리스 스틸 디스크 스케일인 CENTRUM CSF40은 3쌍의 최적화된 정렬 플렉셔를 통합하여 로터리 엔 코더 스케일 설치의 속도와 용이성을 향상시킨다. 자체 정렬 기능을 사용하면 인코더 디스크를 수동으로 정렬할 필요가 없다. 이것은 설치 시간을 크게 최소화하고 조립 프로세스를 단순화한다”라고 말했다. CENTRUM CSF40은 가능한 가장 작은 패키지에서 최고의 성능을 보장하도록 최적화되었으며, ATOM DX 판독 헤드와 결합되어 소형 엔코더 시스템을 제공한다. Carruthers-Watt는 “이 첫 번째 제품에서는 장착 홀을 통 합하여 디스크를 기계 샤프트에 직접 볼트로 고정할 수 있어 시간이 많이 걸리는 접착 및 경화 공정을 피할 수 있다. 레니 쇼는 접착식 또는 기계적 클램프와 같은 다른 마운팅 옵션을 포함하도록 CENTRUM 범위를 확장하여 고객의 설계 요구 사 항을 충족할 수 있는 훨씬 더 많은 유연성을 제공할 단기 계획 을 가지고 있다"라고 덧붙였다.Renishaw CENTRUM CSF40 엔코더 스케일은 ISO 9001: 2015 인증을 받은 엄격한 품질 관리 프로세스를 사용하여 사 내에서 제조된다. Renishaw 엔코더 시스템은 36개국에 있는 자회사의 글로벌 판매 및 지원 네트워크를 통해 지원된다. 자료 제공: Renishaw(www.renishaw.com/centrum)
