필수 모터 작동점과 전원 공급 장치에서 코일 기반 선택 및 적용 방법

소개

DC 모터는 구조에 관계 없이 항상 전기 에너지(DC)를 기계 에너지로 변환하는 역할을 수행합니다. 모터에 공급되는 전압 및 전류는 토크와 모터 샤프트의 회전 속도를 출력하기 위해 변환될 것입니다. 그러나 주입 펌프와 같은 이동식 의료 기기 등 여러 응용 분야에는 오래 지속되고 믿을 수 있는 솔루션을 위해 일반 DC 모터가 아닌 고효율 모터가 요구됩니다. 이는 대표적으로 비철 DC 모터가 필요한 부분입니다.(그림 1)

예를 들어 모터가 약 7000rpm 및 4mNm의 토크에서 연속적으로 작동해야 하는 상황에서 모터는 2.9W의 연속 출력을 전달해야 합니다. 귀금속 정류를 가진 Portescap 16DCT Athlonix™ 비철 DC 모터는 최대 4.2W의 연속 출력을 전달하기 때문에(그림 2 참조) 이러한 필요를 충족합니다.

필요한 연속 출력을 이 모터를 통해 제공할 수 있으므로 이제 모터 코일만 선택하면 됩니다. 알맞은 모터 코일을 선택하기 위해서는 아래 두 가지를 고려하셔야 합니다.

•	DC 모터의 최대 연속 토크는 열 방출 능력이 좌우하기 때문에 크기가 중요합니다. DC 모터의 코일을 바꾸면 최대 연속 토크에 영향을 주지 않을 것입니다.
•	코일을 바꾸면 모터를 이용 가능한 전원 공급 장치(전압 및 전류)에 맞출 수 있기 때문에 효율적인 모터 솔루션이 됩니다.

이어지는 아티클에서 먼저 DC 모터 코일 선택과 관련된 중요한 공식을 간단히 검토하도록 하겠습니다. 그 후 다양한 전원 공급 장치를 이용할 수 있는 시나리오를 알아보고 앞서 언급한 요점을 더 잘 이해할 수 있도록 이러한 시나리오가 코일 선택에 미치는 영향에 대해서도 알아보겠습니다.

이론 검토

토크
DC 모터가 생산한 토크는 다음 관계로 설명할 수 있습니다. 생성된 출력 토크는 토크 상수에 소비된 전류를 곱한 값과 같습니다.

토크 상수를 기본 종속에 따라 개발한다면 아래와 같은 공식을 나타낼 수 있습니다.

매개 변수 "r", "l", "B"는 선택한 모터와 그 크기에 따라 달라집니다. 따라서 다른 토크 상수에 다른 코일을 디자인하면 코일 수 "N"이 다양하게 나타납니다.

속도

DC 모터의 회전 속도 는 다음 관계로 설명할 수 있습니다.

특정 모터 사이즈의 경우(예를 들어 지름 16mm, 길이 25mm), 모터 조절 계수 R/k_M²는 다른 코일에서도 일정합니다. 마찰을 무시하면 모터의 무부하 속도 ω₀는 코일의 가능한 공급 전압 및 토크 상수에 따라 계산됩니다. (그림 3)

위 예시는 특정 모터에 다른 코일을 선택할 수 있는 이유를 명확하게 보여줍니다. 제시된 모든 코일은 필요한 공급 전압과 전류가 다르더라도 예시에서의 5500rpm에서 5mNm의 토크값과 같이 동일한 작동점을 달성할 수 있습니다. 따라서 모터를 가능한 전원 공급 장치에 맞추기 위해 코일을 선택할 수 있습니다.

효율성 및 기계력

효율성은 전기 전력 입력을 기계 전력 출력으로 나눈 값입니다.

Portescap DC 모터는 비철 디자인과 최적화된 자석 회로 덕분에 최대 90% 의 효율성을 달성할 수 있습니다. 하지만 전력의 일부는 마찰이 아니더라도 코일의 구리선에 흐르는 전류가 만들어내는 열에 의해 소실될 것입니다. 이러한 열 손실을 줄 손실이라고 부르는데, 코일 저항과 전류의 제곱을 곱한 값으로 나타냅니다. (그림 4)

효율을 높이기 위해서는 줄 손실을 가능한 한 가장 적게 하여 최대의 기계력을 생성해야 합니다. 이는 아래 그래프와 같이 높은 속도에서 낮은 토크로 모터를 사용하는 방법으로 구현할 수 있습니다. (그림 5)

DC 모터의 기계력은 정지 토크의 절반에서 사용할 때 가장 높지만, 효율성은 모터 전류가 더 낮아질 때 줄 손실이 적어지므로 더 낮은 토크에서 훨씬 높습니다. 가장 높은 속도에서 모터를 사용해 효율을 높이려면 알맞은 모터 코일을 선택해야 합니다.

가능한 카탈로그 코일을 바탕으로 알맞은 코일 선택하기

알맞은 모터 솔루션을 위해 언제나 코일을 커스터마이징해야 하는 것은 아닙니다. 새로운 코일을 개발하려면 고객과 모터 제조사 모두가 시간과 돈을 투자해야 합니다. 따라서 첫 번째 섹션에서는 가능한 카탈로그 코일 중에서 알맞은 코일을 선택하는 것에 초점을 맞출 것입니다.

시나리오 1 - 전압 소스 전원 공급 장치

소개에 나온 예시와 동일한 예시이지만 이번엔 사용 가능한 전원 공급 장치에 관해 고려해보겠습니다.

•	작동점: 2.9W와 같은 값인 4mNm의 토크에서 약 7000rpm으로 연속 작동
•	선택한 모터: Portescap 16DCT Athlonix™ 비철 DC 최대 연속 출력 전력=4.2W
•	가능 전원 공급 장치: 10.8V의 고정 전압을 가진 전압 소스

코일 213E와 코일 211E는 각각 9V와 12V에서 약 8000rpm으로 작동하도록 설계되었기 때문에 이상적인 선택인 것으로 보입니다. 10.8V 공급 전압을 가진 작동점에서 모터 속도 및 전류는 소개 및 데이터 시트에 명시되어 있는 코일 지름을 통해 알 수 있는 공식으로 계산할 수 있습니다. (그림 6).

이를 통해 코일 213E만 가능한 전원 공급 장치 전압과 하중 토크로 7000rpm 이상의 속도에 도달할 수 있다는 사실을 알 수 있습니다. 전압 소스에 따라 카탈로그 코일을 선택하는 경우, 가장 목표치에 근접한 종류는 한 가지 뿐입니다. 따라서 가장 좋은 가능 코일을 선택해 모터를 최적화하려면 전류 소스가 필요합니다.

시나리오 2 - 전류 소스 전원 공급 장치

두 번째 시나리오에서는 전압 소스 대신 전류 소스를 이용해 동일한 작동점을 달성할 수 있습니다.

•	작동점: 2.9W와 같은 값인 4mNm의 토크에서 7000rpm 이상으로 연속 작동
•	적합한 모터: Portescap 16DCT Athlonix™ 비철 DC 최대 연속 출력 전력=4.2W
•	가능 전원 공급 장치: 연속 최대 전류 소스 가능 전류=1A, 1-15V

가능 전류 소스는 1~15V의 전압 범위 이내에서 최대 1A의 연속 전류를 제공할 수 있습니다. 공급 전압이 유연해짐에 따라 작동점을 달성하는 데에 더 넓은 범위로 사용 가능한 카탈로그 코일을 고려할 수 있습니다. 7000rpm 및 4mNm의 작동점을 달성하기 위한 필요 전압은 이 백서의 이론 검토에 소개된 공식을 통해 계산할 수 있습니다. 첫 번째 시나리오와 마찬가지로 작동점에 도달하기 위한 필요 전류는 두 번째 단계에서 계산됩니다.

코일 219P와 207P는 가능 전류 범위를 벗어나 개별 전압을 필요로 하기 때문에 선택할 수 없습니다. 총 효율성을 기준으로 했을 때 코일 219E가 세 가지 코일 중 가장 효율적입니다. 하지만 대부분 상황에서는 가장 낮은 전류 소비량을 가진 코일이 최선입니다. 전류 소비량이 더 낮을 때, 정류 시스템 수명이 길어지고 배터리 구동식 애플리케이션의 배터리 충전 주기가 증가합니다.

전류 소스 전원 공급 장치와 관련된 이 시나리오에서 코일 211E는 코일 219E에 비해 약 절반의 전류를 소모하기 때문에 사용 가능한 카탈로그 코일 중 최고의 선택입니다. 이는 시나리오 1에서 선택한 전압 소스 전원 공급 장치를 가진 코일 213E와 비교해 동일한 작동점을 달성하는 동시에 모터 전류 소비량을 25% 가까이 감소시킵니다.

카탈로그에서 사용이 불가한 경우 코일을 가능 전원 공급 장치에 맞추십시오 (그림 7)

두 번째 시나리오에서는 전류 소스 전원 공급 장치의 가용성 덕분에 카탈로그 코일을 사용해 목표 작동점을 달성할 수 있습니다. 하지만 카탈로그에서 사용 가능한 코일로 항상 목표 작동점을 달성할 수 있는 것은 아닙니다. 이러한 상황에서는 아래 예시와 같이 전원 공급 장치에 적용된 맞춤 코일을 고려해야 합니다.

•	작동점: 2.9W와 같은 값인 4mNm의 토크에서 6000rpm 이상으로 연속 작동
•	적합한 모터: Portescap 16DCT Athlonix™ 비철 DC 최대 연속 출력 전력=4.2W
•	가능 전원 공급 장치: 7V, 전류 한계=최대 0.5A

카탈로그에는 무부하에서 약 8000rpm 및 각각 6V와 9V로 설계된 두 개의 코일을 제공합니다. 하지만 이 두 코일은 7V에서 너무 느리거나 빠릅니다. 또한 코일 218E의 전류 소비량도 문제점입니다.

목표 작동점을 달성하기 위해서는 사용 가능한 카탈로그 범위 밖의 코일이 필요합니다. 이는 코일 219E와 213E의 사이의 회전값을 가지는 특수 코일을 디자인함으로써 해결할 수 있습니다. 모터 전용 제조사는 앞서 언급한 바와 같이 프로젝트 크기에 따라 새로운 코일을 디자인하거나 제안할 수 있습니다. (그림 8).

주요 결론

아래는 높은 효율성이 요구되는 응용 분야에서 DC 모터를 선택할 때 고려해야 할 사항입니다.

•	모터 크기는 필요 기계력에 따라 선택됩니다. 모터의 크기가 충분해야 모터에서의 손실을 통해 발생한 열을 분산시키고 필요한 토크를 달성할 수 있습니다.
•	모터 코일을 선택할 때에는 사용 가능한 전원 공급 장치를 고려해야 합니다. 일반적으로 모터 공급 업체에서는 다양한 전압 및 전류로 동일한 작동점을 달성할 수 있는 코일을 제공할 것입니다.
•	높은 효율성을 가진 모터 솔루션의 경우, 높은 속도 및 낮은 토크에서 필요 기계력이 생성되어야 합니다. 이 과제는 사용 가능한 전원 공급 장치의 효율을 가장 잘 이끌어내는 코일을 선택함으로써 해결할 수 있습니다.

모션 솔루션 전용 제공 업체는 이러한 점을 고려하여 고객이 애플리케이션에 알맞은 모션 솔루션을 찾는 데에 도움을 줄 수 있습니다.

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