파워 오프 브레이크(power-off brakes) 설계 시 고려해야 할 12가지 주요 사항
파워 오프 브레이크(power-off brakes)에 대한 새로운 애플리케 이션의 확산은 브레이크 제조업체의 축적된 설계 경험을 활용하 는 새로운 설계 접근 방식을 요구한다. 수명, 비용 및 성능에 대한 설계 최적화의 핵심은 브레이크 제조업체와의 조기 협업이다. 모 션 제어 산업의 기계 설계자는 파워 오프 브레이크를 ‘홀딩 브레 이크, 스프링 적용 브레이크, 안전 장치 브레이크, 주차 브레이크, 음성 작동 브레이크 및 영구 자석 브레이크’ 등의 용어로 인식하 고 있다. 엔지니어가 뭐라고 부르든 이 브레이크는 동일한 용도로 사용된다. 대부분의 경우 이러한 브레이크는 정지, 유지 또는 비 상 비상 정지 기능을 통해 동작 제어를 관리하여 안전 장치 역할 을 한다. 또한 정확도 또는 위치 지정을 제공한다.
스프링식 브레이크는 유압식, 공압식, 전기식 또는 수동식으로 작동하지만 여기서는 전기적으로 작동되는 전자기식 브레이크에 중점을 둘 것이다. 이는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 스프 링 적용 브레이크이며 시장이 빠르게 성장하고 있다. 다양한 응용 분야에서 볼 수 있는 스프링 적용 전기 작동 브레이크의 가장 일 반적인 경우는 서보 모터, 로봇, 모바일 로봇, 창고 자동화, 휠 드 라이브, 호이스트, 엘리베이터, 도어 및 게이트, 산업 자동화, 수술 도구, 그리퍼, 컨베이어, 액추에이터, 자동차 자동화, 엘리베이터 및 에스컬레이터 등의 응용 분야이다. 이 기사에서는 파워 오프 브레이크에 대한 주요 설계 매개변수와 접근 방식에 대해 간략히 설명한다.
1. 파워 오프 브레이크 토크
파워 오프브레이크를 지정할 때 대답해야 할 첫 번째 질문은 “축 에 필요한 토크는 얼마인가?”이다. 브레이크의 두 가지 토크 등급 은 정적 토크와 동적 토크이다. 휠 구동 브레이크와 같은 응용 분 야에서 요구 사항은 일반적으로 정적 토크와 관련된 기능인 홀딩 전용이다. 여기서 모터는 차량을 정지시킨 다음 브레이크가 작동 한다. 따라서 여기서는 정적 토크가 주요 관심사이다.
전기 자동차 또는 유사한 애플리케이션의 경우 엔지니어는 부 하(차량이 주차할 수 있는 경사도 포함)를 포함한 차량의 최대 중 량도 고려해야 한다. 경사면에서 유지하는 데 필요한 토크는 평평 한 지형에서 필요한 유지 토크보다 훨씬 크다. 때로는 주어진 홀 딩 브레이크의 필수 기능을 지시하는 규정이나 산업 표준도 있다. 반면 일부 장비에는 정지 또는 비상 정지를 위한 브레이크가 필 요하다. 예를 들어 전기 자동차가 언덕 아래로 속도를 내며 이동 하는 동안 중단된 전력의 달갑지 않은 시나리오를 생각해야 한다. 여기서 브레이크는 일정 시간 또는 거리 내에 차량을 정지시키기 위해 적절한 토크 등급이 필요하다.
특정 브레이크의 경우 동적 정지(일반적으로 비상 정지) 기능은 정적 토크 정격이 의미하는 것보다 훨씬 적다. 이 동적 정지 기능 은 맞물림 속도, 열 분산 기능 및 브레이크 작업 표면에 사용되는 재료에 따라 크게 달라진다. 속도가 빨라지면 최대 에너지 소산 능 력이 감소한다. 간헐적인 동적 정지가 포함된 애플리케이션의 경 우 브레이크 제조업체에 문의하여 △ 적용 조건 △ e-stop △ 제품 수명 동안 허용되는 총 참여 에너지 등에 대해 논의해야 한다. 브레이크 토크 요구 사항을 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나는 축의 동력 전달 어셈블리의 고속 쪽에 브레이크를 장착하는 것 이다. 브레이크를 장착하는 일반적인 위치는 모터의 백엔드이다. ‘다운스트림’ 저속 측면에 브레이크를 장착하면 비례적으로 토크 가 증가한다. 즉 보다 크고 보다 비싼 브레이크가 필요하다. 반대 로 기어박스의 ‘업스트림’ 브레이크를 유지한다는 것은 해당 브레 이크로 다시 반사되는 페이로드 및 드라이브트레인 관성이 감소 한다는 것을 의미한다.
2. 파워 오프 브레이크 전압
설계의 전원 시스템에서 사용할 수 있는 전압은 얼마인가? 대 부분의 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 전압은 역사적으로 24Vdc였다. 많은 엔진 구동 애플리케이션의 경우 내장된 12V 배 터리가 브레이크에 전원을 공급하거나 엔진이 전원을 공급할 수 도 있다. 항공 우주 애플리케이션은 종종 28V 소스를 사용한다. 전원이 공급되는 모바일 장비의 경우 48V가 옵션이다. 보다 큰 브레이크의 경우 P = V·I 이기 때문에 72V 또는 90V가 자주 사용 되며 더 높은 전압에서 전달되는 더 높은 요구 전력은 더 낮은 전 류를 허용한다. 새로운 애플리케이션을 위한 브레이크를 선택할 때 설계의 전원을 고려하고 브레이크 공급업체와 협력하여 해당 전압에 대한 브레이크 코일을 확보해야 한다.
3. 파워 오프 브레이크 속도
속도는 토크 질문과 유사하다. 교전 속도인지 언로드 속도인지에 따라 다르다. 홀딩 브레이크 설계는 0rpm에서 맞물리기 위한 것 이므로 고려해야 할 유일한 속도는 무부하 속도이다.
4. 파워 오프 브레이크 크기
다양한 파워 오프 브레이크 크기가 있다. 가장 작은 것은 직경이 10mm 이하이며 주로 마이크로 모터에 사용된다. 호이스트 또는 엘리베이터에서 가장 큰 전자기 스프링 적용 브레이크는 상당히 방대하다. 최신 트렌드는 초박형 브레이크이다. 가장 얇은 브레 이크의 범위는 ½인치 또는 12mm이다. 이것의 상당 부분은 로봇 공학 붐과 전기 휠 드라이브 시장의 성장의 결과이다. 로봇의 경우, 로봇 관절의 얇은 브레이크를 통해 더 작은 조립, 더 낮은 관성 및 시스템 처리량을 높일 수 있다. 휠 드라이브의 경 우, 두 개의 모터가 인라인으로 장착되는 경우가 많으며 축 방향 공간이 매우 제한적이다. 종종 초박형 브레이크는 팬케이크형 구 동 모터에 장착된다. 특수 브레이크 바디는 더 많은 공간을 절약 하기 위해 모터의 엔드 벨 역할을 할 수도 있다. 크기와 토크 사이의 관계는 물리 법칙에 의해 정의된다. 그러나 동력 제어는 수년에 걸쳐 더욱 정교해지고 상업적으로 실용적이 되었다. 또한 몇 년 전의 설계와 비교할 때 더 작은 패키지에서 더 많은 토크를 얻을 수 있다. 선택된 브레이크는 이제 과여자를 사 용하여 스프링 힘을 극복하여 브레이크를 해제한다. 빠른 분리 후 브레이크의 인덕턴스(자기 강도)가 증가하고 브레이크를 분리된 상태로 유지하면서 필요한 전력이 줄어든다. 이는 열과 전력 소비 에도 도움이 된다.
5. 파워 오프 브레이크 마모
브레이크 마모는 동적 결합의 결과이다. 동적 맞물림 에너지와 마 찰 표면의 마모 사이에는 직접적인 관계가 있다. 설계 수명은 원 하는 사이클 수와 결합된 이 마모율을 기반으로 한다. 홀딩 브레 이크에는 정적 결합 전용으로 설계된 재료가 사용된다. 마찰 계수 가 높기 때문에 더 작은 크기로 더 높은 토크를 제공하지만 단점 은 반복되는 동적 맞물림을 견딜 수 없다는 것이다. 동적 정지를 위해 설계된 브레이크의 마찰재는 내구성이 매우 뛰어나며 원하 는 수명을 위한 적절한 브레이크 선택을 결정하기 위해 정지 응용 프로그램과 홀딩 전용 응용 프로그램을 구별하는 것이 중요하다.
6. 파워 오프 브레이크 온도
열은 클러치나 브레이크의 최악의 적이다. 동적 결합은 열을 발 생시킨다. 브레이크 코일을 통해 흐르는 전류는 열을 발생시킨다. 온도가 상승하면 코일의 저항이 증가하고 일정한 전압으로 전류 가 떨어진다. V=I×R 즉, 마모로 인해 내부 공극이 증가하고 온도 가 코일 저항을 증가시키면 전류가 상대적으로 낮아지기 때문에 브레이크를 해제하기가 더 어렵다. 추운 온도에서는 브레이크 코 일 저항이 감소하고 브레이크가 더 쉽게 맞물리므로 얼음 또는 기 타 열 수축이 문제를 일으키지 않는다. 브레이크를 지정할 때 환경 및 듀티 사이클과 함께 극한 온도를 고려하는 것이 중요하다. 첫째, 역동적인 교전이 있는 경우 수명은 주기 수에 따라 달라진다. 둘째, 높은 듀티 사이클로 인해 열이 증가한다. 열은 브레이 크 코일을 통해 흐르는 전류를 통해 발생한다. 두 표면이 접촉하 고 하중이 느려지거나 멈출 때 일시적인 미끄러짐을 경험할 때 동 적 맞물림 중에 생성된다. 최대 온도 제한을 초과하지 않고 브레 이크 부품이 원하는 제품 수명 동안 지속되도록 설계할 수 있도록 브레이크 공급업체와 듀티 사이클을 검토하는 것이 중요하다.
7. 전력 소비 및 열
스프링 적용 브레이크로 전력 소비를 줄이고 열 축적을 줄이는 한 가지 방법은 펄스 폭 변조 또는 PWM을 사용하는 것이다. 브레이 크가 맞물리면 코일 본체와 압력판 사이에 공극이 있다. 브레이크 코일에 전류를 가하면 전자기 플럭스가 에어갭을 가로질러 이동 하고 압력판이 코일 본체 쪽으로 당겨진다. 이는 제동 토크에 수 직력을 공급하는 스프링을 압축한다. 그러면 브레이크가 자유롭 게 회전한다. 처음에는 최대 전력으로 브레이크를 해제한다. 브레이크가 해제되면 압력판과 코일 본체 사이에 더 이상 공극 이 존재하지 않는다. 이것은 인덕턴스가 변경됨을 의미한다. 자기 력이 강하므로 이제 브레이크를 해제된 상태로 유지하는 데 훨씬 적은 동력이 필요하다. PWM을 사용하면 브레이크가 해제된 상 태로 유지되는 동안 평균 전력(전압)을 대략적으로 50%까지 크 게 줄일 수 있다. 이것은 브레이크를 더 시원하게 유지하고 전력 소비를 줄이다. 후자는 특히 배터리 구동식 장비에 유용하다. 비교 가능한 결과를 제공하는 또 다른 접근 방식은 과여자를 사 용하여 브레이크를 해제하는 것이다. 이를 위해 설계된 브레이크 의 경우 더 작은 스프링 적용 브레이크가 더 많은 토크를 전달할 수 있다. 예를 들어 24V는 브레이크가 해제되는 동안 잠시 동안 12V 브레이크 코일에 전원을 공급한다. 분리가 완료되면 전압이 떨어진다.
8. 파워 오프 브레이크 응답 시간
로봇 및 의료 응용 분야에서 응답 시간은 종종 위치 지정 및 정확도에 중요하다. 이는 브레이크 연결 및 해제 시간 모두와 관련이 있다. 빠른 브레이크 결합이 중요한 애플리케이션의 경우, 제너 다이오드가 브레이크 결합 속도를 높이는 데 도움이 된다. 브레이 크 코일에서 전원이 제거되면 자연적으로 자속이 감소하는 데 약 간의 시간이 걸린다. 제너 다이오드 회로를 사용하여 전자기장을 더 빨리 붕괴시켜 스프링이 브레이크에 맞물리도록 돕는다. 앞서 언급한 과여자는 브레이크 해제 응답 시간을 개선하기 위한 제어 방법이다.
9. 파워 오프 브레이크 환경
과거에는 대부분의 실내 산업용 애플리케이션이 열악한 환경에 거의 노출되지 않았다. 오늘날 그 어느 때보다 더 많은 애플리케 이션이 극한의 온도, 오염 물질 및 높은 상대 습도에 노출되어 있 다. 이는 부분적으로는 더 높은 수준의 자동화 때문이고 부분적으 로는 배터리 구동 장비 시장의 성장 때문이다. 골프 카트의 전동 휠 드라이브와 승강기용 브레이크에도 수년 동안 고무 링을 사용 하여 스프링 적용 브레이크의 노출된 마찰재를 덮었다. 이것은 효 과적인 방법임이 입증되었다.
다른 방법에는 브레이크를 완전히 둘러싸는 방법이 포함되며, 이는 상당한 비용을 추가할 수 있다. 브레이크의 마찰 영역을 보 호하는 또 다른 방법은 코일 본체를 연장하여 모터 엔드 벨과 짝 을 이루는 것이다. 이 경우 홈과 O-링이 밀봉을 더욱 향상시킨다. 환경으로부터 브레이크를 보호하는 간단한 방법은 전체 브레이 크에 덮개를 추가하는 것이다. 이것은 모터 또는 어댑터 플레이트 에 볼트로 고정된다.
설계 과정 초기에 극한 온대 지역을 고려해야 한다. 상대 습도 가 높고 장비가 영하의 온도에 있는 경우 브레이크 마찰 영역에 서 습기를 제거하는 것이 중요하다. 젖은 표면은 마찰 계수가 낮 기 때문에 토크 등급을 낮출 수 있다. 또한 이슬 맺힌 표면이 얼어 문제를 일으킬 수 있다. 매우 뜨거운 설정도 문제다. 온도가 높을 수록 코일 저항이 증가하고 전자기 플럭스가 브레이크의 공극을 가로질러 이동하기가 더 어려워지기 때문에 열이 문제가 된다. 설 상가상으로 브레이크 마모가 발생한 후 공극이 증가한다. 더 높은 온도는 또한 시간이 지남에 따라 와이어 절연을 저하시키고 유용 한 브레이크 수명을 줄인다. 이러한 이유로 새로운 애플리케이션 을 위한 브레이크의 크기를 조정하고 선택할 때 최대 작동 온도, 듀티 사이클 및 제품 수명을 고려하는 것이 필수적이다.
10. 파워 오프 브레이크 백래시
백래시는 의료 장비 또는 반도체 제조와 같은 정밀 애플리케이션 또는 로봇과 같은 높은 순환 애플리케이션을 구축할 때 고려해야 할 특히 중요한 설계 고려 사항이다. 종종 설계 품질은 이 브레이 크 백래시 수준에 따라 달라진다. 제한적이거나 제로에 가까운 백래시를 생성하는 특정 설계 요소가 있다. 또한 제한된 백래시를 보존하거나 원치 않는 마모 또는 백래시 조건의 확장에 기여하는 브레이크의 내부 기능이 있다. 낮은 백래시가 중요한 설계 요소인 경우 장비 제조업체가 애플리케이션 요구 사항에 맞는 설계에 대 해 브레이크 전문가와 협력하는 것이 가장 좋다.
11. 파워 오프 브레이크 수동 해제
때때로 서비스 간격, 종료 또는 전원 중단 중에 수동으로 브레이크 를 해제해야 한다. 스프링 적용 브레이크에서 이 작동은 전기적으 로 발생하지만 기계적으로 발생할 수도 있다. 더 작은 브레이크는 물리적으로 브레이크를 미끄러지기 쉽기 때문에 수동 해제가 필요 하지 않을 수 있다. 높은 비율의 기어박스는 이것을 더 어렵게 만들 수 있다. 더 높은 토크 정격을 가진 더 큰 브레이크의 경우 가장 간 단한 방법은 브레이크에 나사식 수동 해제 구멍을 포함하는 것이 다. 릴리스 볼트는 브레이크를 해제하는 코일 본체에 대해 압력판 을 수동으로 민다. 원하는 경우 수동 해제 레버를 사용할 수 있으며 시장에는 수많은 디자인이 있다. 이 레버는 작업자가 브레이크에 물리적으로 접근하지 않고도 브레이크를 해제할 수 있도록 케이블 풀에 부착할 수 있다. 압력판의 작동 거리는 매우 작으며 브레이크 의 내부 공극을 기반으로 한다. 결국 수동 해제는 의도치 않게 발생 하는 경우가 많으며 가장 간단한 방법이 가장 좋은 경우가 많다.
12. 파워 오프 브레이크 비용
이 기사의 초점은 전자기 스프링 적용 파워 오프 브레이크이다. 그러나 전자기 영구 자석을 적용한 브레이크도 있다. 스프링 적용 브레이크는 전 세계적으로 훨씬 더 인기 있는 선택이므로 더 많은 제조업체에서 더 낮은 비용으로 더 많은 양을 생산한다. 대조적으 로 영구 자석 브레이크는 상대적으로 비용이 많이 들지만 특정 응 용 분야에 이점을 제공한다. 토크 밀도가 매우 높기 때문에 때때 로 주어진 구성 요소 크기에 대해 더 많은 토크를 제공한다. 영구 자석 브레이크는 제어가 필요한 응용 분야에서도 탁월하다. 반면 에 스프링 적용 브레이크는 켜져 있거나 꺼져 있으며 결합 시간이 매우 빠르다. 새로운 적용을 위한 브레이크를 고려할 때 비용, 성 능 및 수명 목표의 균형을 가장 잘 맞추는 브레이크를 선택하기 위해 제조업체에 문의하는 것이 좋다.
자료제공: ogura (ogura-clutch.com)
