AC 서보 모터의 구조
AC 서보모터의 구조는 아래 그림과 같다.
자속을 만들어내기 위한 영구 자석이 회전자에 부착된 회전 자계형이고, 권선은 고정자측에 설치된 정지 전기자 구조이다. 결국 DC 서보모터와 비교해 보면 회전자와 고정자의 전기적 역할이 역으로 되어 있다.
<AC Servo Motor 의 구조>
AC 서보 모터의 구조상 특징
서보모터에서는 급가.감속을 행하기 위해, 최대 토오크는 정격 토오크에 대하여 수배 크게 하지 않으면 안되는데, DC 서보모터에 있어서는 가감속 영역이라 불리우는 정류한계가 있고, 이것을 넘어서 사용하면 Flash Over현상(정류자 불꽃이 갑자기 과대해지는 현상)이 나타난다. 더구나 이 정류한계는 회전속도가 커지면 현저하게 저하한다.
그러나, AC 서보모터에 있어서는 정류한계가 존재하지 않기 때문에 고속회전 영역까지 최대 토오크를 저감하지 않고 운전할수 있다. 아래 그림은 서보모터의 동작 특성을 나타낸것이다. 또 AC 서보모터에 있어서는 영구자석이 회전축상에 설치되어 있기때문에 회전 부분에서는 발열이 없고 모터의 발열은 고정자측의 전기자에서만 발생한다.
<Servo Motor 의 동작 특성도>
고정자측의 전기자에서 발생한 열은 프레임을 통하여 대기중에 발산하므로, 발열부가 회전자에 있는 DC 서보모터에 비하여 냉각이 용이하다. 또한, 발열부의 온도 검출이 직접 가능하기 때문에 과부하에 대해 보호가 확실한 조치를 취할수 있다.
AC 서보 모터의 구성 요소
AC 서보모터는 회전자,고정자,센서 및 이것을 지탱하는 프레임, 베어링, 커플링으로 구성되고 용도에 따라서 브레이크를 내장한것도 보인다. 이하 요소별로 서술한다.
1) 회전자
회전자는 회전축에 영구자석이 고정된 회전계자형 구조이다. 계자극의 형상은 원통형(링형)과 원호형(C형)의 두종류가 있다.
아래 그림의 (a)는 원통형 영구자석을 계자극으로 한 모터의 횡단면도를 나타내고, (b)는 원호형 영구자석을 계자극으로한 모터의 횡단면도를 나타내고 있다.
2) 고정자
고정자는 전기자 철심과 전기자 권선에 의해 구성되어 있다. 전기자 철심은 0.35~0.5 두께의 규소 강판을 쌓아 두껍게 한 것이다. 일반적으로 권선을 하기 위한 슬롯의 영향 때문에 공극에서의 자속밀도가 균일하지 않고 토오크가 맥동하여 회전변동이 일어난다. 이같은 토오크 리플을 저감하기 위하여 전기자 철심에 슬롯을 많이 내거나, 스큐(Skew)를 한다.
또, 서보모터의 철심은 전기자 전류의 영향을 받아서 진동하기 때문에 이 주파수가 가청 주파수역에 들 경우는 소음이 난다.
3) 센서
AC 서보모터의 센서는 모터의 위치 검출과 회전속도 검출의 2가지 기능이 필요하게 된다.
4) 브레이크
서보모터의 사용조건에 따라 브레이크 내장형이 필요한 경우도 있다. 브레이크는 모터의 박형화를 도모하기 위하여 편평형 전자 브레이크가 주로 사용된다. 브레이크의 동작은 역작동 방식의 홀딩 브레이크이다. 아래 그림에 그 구조를 나타낸다.
<브레이크(Break)가 부착된 AC Servo Motor>
5) 프레임
프레임은 고정자를 고정하는 기능만 하는것이 아니고, 요크로서 자로의 일부가 되기도 하고 동손 및 철손에 의한 열의 방열 통로의 기능을 한다. 따라서 열발산을 효율적으로 하기 위해서는 열전도율이 좋은 재질을 사용하여야 한다. 특히 프레임 외면에 방열핀을 많이 두기도 한다.
6) 베어링
베어링은 기계적 손실이 작은 볼 베어링이 주로 사용된다. 반복적인 급가감속운동과 회전축의 열팽창을 십분 고려하여 탈조 방지를 충분히 고려하여 설계되었다. 물과 절삭유가 쓰이는 환경하에서 사용할대는 모터축 사이로 물과 기름의 침입을 방지하기 위하여 오일씰을 붙이는 경우도 있다.
영구 자석의 종류와 특징
기계적 시정수가 작고 응답성이 좋은 서보모터에는 고성능 자석이 사용된다. 그러나 모든 서보모터에 고응답성이 요구되는 것은 아니다. 부하의 관성모멘트가 큰 경우에는 회전자 관성 모멘트가 작은 모터를 선택해서는 무의미하다. 역으로, 부하의 관성 모멘트가 작을 대에는 회전자 관성 모멘트가 큰 모터를 사용하면 가감속에 사용되는 파워는 모터 자체 만을 구동하기 위해서 소비되어 버리기 때문에 응답성이 좋은 모터로써도 무의미하므로 목적에 맞게 선정하여야 한다. 회전자 관성 모멘트는 계자를 형성하는 영구자석을 어떤 종류를 사용했느냐에 따라 달라진다.
영구 자석의 자기 특성은 감자곡선으로 표시되는데, 잔류 자속밀도 Br, 감자력 Hc, 최대 에너지적(BH)max에 의해 그 특성을 알수 있다. 영구 자석을 포함하는 자기회로의 공극에 축적된 에너지는, 자기 에너지적에 비례하므로 우수한 자석은 그 만큼 단위 체적당 큰 자기 에너지 적을 보유하고 있다.
아래 그림은 대표적인 3종류의 자석의 자기특성을 비교한 것이다. 그림에서 종축은 자속밀도 B, 횡축은 감자계의 강도 H로 표시된다. 또한, 감자곡선상의 자속밀도와 자화력의 적을 자기 에너지적 이라 하고, 그 최대치가 최대 에너지적(BH)max이고, 단위는 J/m³혹은 Gauss Oersted (GOe)로 표시된다.
<영구자석의 감자곡선>
그림에서 보듯이 희토류 자석은 페라이트 자석보다 Br, Hc값이 크다. 즉, 희토류 자석을 사용한 서보모터는 같은 출력에 비해 모터크기가 작고 따라서 회전자 크기가 작아서 기계적 시정수가 작고 파워레이트가 크다.
아래 표는 페라이트 자석을 사용한 AC 서보모터와 희토류 자석을 사용한 AC 서보모터의 특성을 비교한 것이다.
|
항목 단위 |
페라이트 자석 |
희토류 자석 |
|
정격 토오크 Kg·cm |
29 |
9.7 |
|
정격 속도 RPM |
1000 |
3000 |
|
회전자 관성 g·cm·s² |
13.8 |
0.843 |
|
기계적 시정수 msec |
5.9 |
2.5 |
|
파워 레이트 Kw/sec |
6.1 |
11 |
|
모터 크기 mm² x mm |
130 x 203L |
82 x 198L |
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