로봇 공학 프로젝트, 웨어러블 의료 기기 또는 소형 자동화 홈 기기를 만져본 적이 있다면 소형 DC 기어 모터의 오작동으로 인한 실망스러운 결함, 특히 짜증나는 토크 리플에 직면했을 가능성이 있습니다. 소규모 DC 기어 모터 공급업체로 수년을 보낸 우리는 이런 불만을 백 번이나 들었습니다. 모터가 일관성이 없고, 불안정하거나, 부드럽고 안정적이며 신뢰할 수 있어야 하는데 예기치 않게 느리고 빠른 속도를 내는 모터입니다. 모터 샤프트가 회전할 때마다 발생하는 출력 토크의 주기적인 변동인 토크 리플은 성능만 저하시키는 것이 아닙니다. 섬세한 장치의 정밀도를 떨어뜨리고 배터리 수명을 더 빨리 소모하며 시간이 지남에 따라 기계적 마모를 일으킬 수도 있습니다. 수천 개의 모터를 테스트하고 엔지니어 및 애호가와 직접 협력하여 토크 문제를 해결한 후 이러한 파급력을 줄이기 위한 실용적이고 과학적인 뒷받침 전략을 정리했습니다.소형 DC 기어 모터제품은 팀이 처음부터 이러한 일반적인 문제점을 피할 수 있도록 맞춤화되었습니다.
먼저 소형 DC 기어 모터에서 토크 리플이 발생하는 이유를 분석해 보겠습니다. 완전히 이해하지 못하는 문제는 해결할 수 없기 때문입니다. 주어진 전압에서 일정한 토크를 생성하는 이상적인 모터와 달리 실제 소형 DC 기어 모터는 설계에 변동을 일으키는 간격이 있습니다. 소형 기어 모터에서 가장 일반적인 유형인 브러시 DC 모터의 경우 토크 리플은 정류 리플과 코깅 리플이라는 두 가지 주요 소스에서 발생합니다. 정류 리플은 브러시(전기자에 전류를 전달하는 작은 전도성 부품)가 전기자의 전도성 세그먼트 사이를 전환할 때 발생합니다. 각 스위치는 전류에 작은 순간을 생성하고 이는 토크의 순간으로 변환됩니다. 반면에 코깅 리플은 전기자의 철심과 고정자의 영구 자석 사이의 상호 작용에서 발생합니다. 코어에는 고정자 자석 쪽으로 당겨지는 작은 톱니가 있어 특정 회전 각도에서 저항을 생성합니다. 마치 자석이 금속 나사에 달라붙었다가 돌리면 놓이는 것과 같습니다.
DC 모터에 기어 트레인을 추가하면 리플이 작게 유지되는 것이 아니라 배가됩니다. 기어는 모터의 토크를 출력축으로 전달하므로 모터 입력 토크의 불일치는 기어비에 의해 증폭됩니다. 예를 들어 10:1 비율은 모터 샤프트의 1% 토크 변동이 출력의 10% 변동이 된다는 것을 의미하며 이는 정밀도가 필요한 장치에 큰 문제입니다. 그렇기 때문에 귀하의 응용 분야에 적합한 모터를 선택하는 것은 단지 크기나 전력에 관한 것이 아니라 소스에서 리플을 설계하는 것과 관련이 있습니다.마이크로 메탈 기어 모터라인은 이러한 핵심 원인을 해결하기 위해 특별히 제작되었습니다.
이제 소형 DC 기어 모터에 가장 큰 차이를 만드는 모터 설계 조정부터 시작하여 실행 가능한 전략을 살펴보겠습니다. 가장 영향력 있는 첫 번째 수정 사항은 코깅 리플을 줄이기 위해 뼈대 설계를 최적화하는 것입니다. 기존의 소형 모터 전기자에는 2~4개의 톱니가 있으며, 이는 예측 가능한 각도에서 강한 코깅을 생성하는 방식으로 고정자 극과 정렬됩니다. 전기자 슬롯 수를 늘리고 슬롯을 기울임(샤프트를 따라 직선으로 정렬하는 대신 약간 비틀기)으로 자기 인력을 더 많은 각도로 분산시켜 "스틱 슬립" 효과를 줄일 수 있습니다. 소형 DC 기어 모터의 경우 표준 6개 슬롯 대신 12개 슬롯이 있는 스큐형 전기자를 사용하여 테스트에서 코깅 리플을 최대 40%까지 줄였습니다. 또한 날카로운 직사각형 모서리 대신 모서리가 약간 구부러진 네오디뮴 자석을 사용하여 고정자 자석의 모양을 조정하여 토크 블립을 유발하는 갑작스러운 점프보다는 자기장이 전기자 톱니와 보다 점진적으로 상호 작용하도록 합니다.
다음으로, 브러시 및 정류 설계는 정류 리플을 줄이는 데 큰 역할을 합니다. 브러시는 마모 부품이므로 많은 저가형 모터는 견고하고 시간이 지남에 따라 고르지 않게 마모되어 전기자 세그먼트와 일관되지 않은 접촉을 생성하는 카본 브러시를 사용합니다. 우리의마이크로 메탈 기어 모터라인은 뼈대 전체에 일정한 압력을 유지하기 위해 스프링이 장착된 정밀 가공된 금속 흑연 브러시를 사용합니다. 이를 통해 정류 중에 전류가 갑자기 떨어지거나 급상승하지 않고 원활하게 흐르게 됩니다. 또한 우리는 전기자 세그먼트 수를 고정자 극 및 기어 톱니 수와 일치시킵니다. 이는 "코프라임 페어링"이라고 불리는 설계 요령입니다. 예를 들어, 12개의 전기자 세그먼트, 4개의 고정자 극 및 25개의 톱니가 있는 기어 트레인이 있는 모터는 정류 주기가 기어의 자연스러운 회전 지점과 정렬되지 않음을 의미하며, 이로 인해 더 크고 주기적인 토크 변동이 발생합니다. 이러한 숫자를 동일 소수(공유 요소 없음)로 만들어 파급 효과를 분산시켜 최종 장치에서 눈에 띄지 않게 합니다.
모터 설계 외에도 기어 트레인 수정은 소형 DC 기어 모터에 매우 중요합니다. 기어 트레인이 리플 증폭을 담당하기 때문입니다. 여기서 가장 흔한 실수는 저렴하지만 유연하고 백래시(백래시)가 발생하기 쉬운 플라스틱 기어를 사용하는 것입니다. 이는 기어 톱니 사이의 작은 틈으로 인해 방향을 바꿀 때 기어가 갑자기 움직이고 토크 리플이 증폭됩니다. 우리의소형기어드모터라인은 공차가 엄격한(치아 사이의 유격이 0.02mm 미만) 정밀 가공된 금속 기어(소형 12mm 모터의 경우 일반적으로 강철 또는 황동)를 사용합니다. 기어도 직선 절단이 아닌 나선형이므로 갑작스러운 "딸깍" 소리와 함께 톱니가 서로 부딪히는 대신 점진적으로 맞물립니다. 이러한 점진적인 결합은 토크 전달을 원활하게 하고 직선 기어 결합으로 인한 날카로운 토크 스파이크를 제거하여 리플을 줄입니다. 또한 열차의 마지막 기어와 출력 샤프트 사이에 작은 마찰 댐퍼를 추가합니다. 이는 작은 토크 변동이 적용 분야에 도달하기 전에 이를 흡수하는 얇고 마찰이 적은 실리콘 링입니다. 펜 플로터나 소형 컨베이어 벨트와 같은 장치의 경우 이 간단한 추가로 고객의 사용 중 리플을 25% 더 줄였습니다.
모터와 기어를 최적화한 후 다음 단계는 전원 공급 장치와 제어 시스템을 조정하는 것입니다. 이 두 영역은 종종 간과되지만 잔류 토크 리플을 줄이는 데 큰 차이를 만들 수 있습니다. 소형 DC 기어 모터의 경우 전원 공급 장치 소음이 주요 숨겨진 원인입니다. 전원(예: 배터리 또는 간단한 벽면 어댑터)의 출력 전압에 리플이 있는 경우 이는 모터의 토크 리플로 직접 변환됩니다. 여기서 해결 방법은 모터의 전원 단자 전체에 작은 커패시터(모터 크기에 따라 10~100 마이크로패럿)를 추가하여 전압 변동을 완화하는 것입니다. 예를 들어, 우리의3V 미니 기어 모터모터 리드에 직접 납땜된 22μF 세라믹 커패시터와 함께 작동하도록 설계되었습니다. 데이터시트에 이에 대한 참고 사항이 포함되어 있으며, 테스트 결과 전력 관련 토크 리플을 최대 30%까지 줄이는 것으로 나타났습니다.
모터 속도를 제어하기 위해 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하는 애플리케이션의 경우(에너지 효율적이기 때문에 대부분의 소형 장치가 그렇습니다), 모터의 자연 공진 주파수와 일치하지 않도록 PWM 주파수와 타이밍을 조정해야 합니다. PWM 주파수가 모터의 회전 주파수(또는 그 배수)와 일치하면 토크 리플을 평활화하는 대신 증폭시킵니다. 소형 DC 기어 모터의 경우 최적의 지점은 일반적으로 15kHz~25kHz 사이의 PWM 주파수입니다. 이보다 낮은 주파수는 가청 소음을 유발할 수 있고, 높은 주파수는 스위칭 손실을 추가할 수 있습니다. 또한 모터의 정류 주기에 맞게 전압 펄스의 타이밍을 조정하여 발생하는 작은 토크 블립을 상쇄하는 위상 변이 신호와 함께 PWM을 사용하는 것이 좋습니다. 애호가 및 소규모 제조업체의 경우 Arduino 또는 유사한 마이크로 컨트롤러를 사용하여 쉽게 구현할 수 있지만, 가장 높은 정밀도가 필요한 응용 분야에 대한 모터 권장 사항에 포함되어 있습니다.
나는 이러한 작은 조정이 어떻게 추가되는지 직접 보았습니다. 작년에 수술용 핸드피스를 제작하는 고객이 초기 모터에 토크 리플이 있어 작고 일관되지 않은 움직임을 유발하여 장치가 섬세한 조직 작업에 안전하지 않다는 이유로 우리에게 연락했습니다. 그들은 제어 시스템을 조정하고 모터를 교체하려고 시도했지만 우리 제품으로 전환하기 전까지는 아무 소용이 없었습니다.소형 DC 기어 모터라인, 올바른 커패시터 및 PWM 튜닝과 쌍을 이룹니다. 한 달 만에 토크 리플이 12%에서 2% 미만으로 감소하여 엄격한 의료 기기 표준을 충족했습니다. 이러한 세부 사항을 올바르게 파악하면 실망스럽고 신뢰할 수 없는 구성 요소를 제품 성공에 도움이 되는 도구로 바꾸는 효과가 있습니다.
물론 모든 애플리케이션이 다르기 때문에 모든 용도에 맞는 단일 솔루션은 없습니다. 어린이 장난감용 소형 모터에는 실험실 자동화 피펫용 모터와 동일한 수준의 리플 감소가 필요하지 않습니다. 그렇기 때문에 모터 설계를 특정 사용 사례에 맞추는 것이 중요합니다. 높은 정밀도가 필요한 경우 기울어진 전기자 및 금속 기어에 우선순위를 두십시오. 에너지를 절약해야 하는 배터리 구동 장치를 작업하는 경우 전원 공급 장치 소음을 줄이는 데 집중하세요. 귀하의 장치가 공간 제약이 빡빡한 경우 당사의 컴팩트마이크로 메탈 기어 모터라인은 소형 폼팩터에서 리플을 최소화하도록 구축되었습니다.
로봇 팔, 웨어러블 펌프, 스마트 잠금 장치 또는 소형 모터를 사용하는 기타 장치 등 토크 일관성이 중요한 프로젝트를 진행하는 경우 예상대로 작동하지 않는 일반 모터에 만족하지 마십시오. 우리 팀은 토크 리플의 특정 원인을 해결하기 위해 소형 DC 기어 모터 설계를 개선하는 데 수년을 보냈으며 엔지니어 및 애호가와 직접 협력하여 요구 사항에 적합한 솔루션을 찾습니다. 모터 선택, 제어 시스템 조정에 도움이 필요하거나 현재 설정에서 리플을 줄이는 방법에 대한 질문이 있는 경우, 저희가 도와드리겠습니다.
사양, 애플리케이션 노트 및 토크 리플 감소에 대한 지침을 포함하여 당사의 고정밀 소형 DC 기어 모터 제품군에 대한 자세한 내용을 알아보려면 연락하여 요구 사항을 논의하세요.
참고자료
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- 밸브, FC, & Howe, D. (2001). “영구자석 브러시리스 기계의 코깅 토크 감소.” 자기학에 관한 IEEE 거래, 37(5), 2830-2832.
- Hemezu, R., & Tuma, D. (2015). “정류 타이밍 조정을 사용한 브러시 DC 모터의 토크 리플 최소화.” 전기 기계에 관한 국제 회의 간행물, 1245-1250.
