DC 기어 모터: 유형, 사양 및 선택에 대한 완벽한 구매자 가이드

DC 기어 모터란 무엇이며 기어박스가 중요한 이유는 무엇입니까?

DC 기어 모터는 단일 통합 장치에 기계식 기어박스와 쌍을 이루는 직류 전기 모터입니다. 모터 자체는 정격 전압에서 3,000~15,000RPM으로 빠르게 회전하지만 대부분의 실제 응용 분야에서는 상당한 회전력을 갖춘 느리고 제어된 움직임이 필요합니다. 기어박스는 일련의 맞물림 기어를 통해 속도와 토크를 교환하여 이 문제를 해결합니다. 그 결과 모터의 회전자보다 훨씬 느리게 회전하는 출력 샤프트가 탄생하지만 이에 비례하여 샤프트에서 더 높은 토크를 사용할 수 있습니다.

기어박스가 없으면 소형 DC 모터는 팬 블레이드를 쉽게 회전시킬 수 있지만 부하를 들어 올리거나 컨베이어 벨트를 구동하거나 밸브를 돌리는 데 어려움을 겪습니다. 예를 들어 100:1의 기어 감소를 통해 5mN·m의 자유 작동 토크를 생성하는 동일한 모터는 이제 출력에서 ​​약 500mN·m를 전달합니다. 이는 기어 메시 마찰로 인한 손실을 뺀 값이며, 일반적으로 기어 유형 및 윤활유에 따라 5~20%입니다. 모터와 기어박스를 하나의 어셈블리로 컴팩트하게 통합한 것과 결합된 토크의 증가는 DC 기어드 모터가 산업, 상업 및 소비자 응용 분야에서 가장 널리 지정된 모션 부품 중 하나인 이유입니다.

DC 기어 모터 유형: 기어박스 구성 비교

기어박스 설계는 거의 모든 설계 변수보다 성능, 크기, 효율성 및 소음에 더 큰 영향을 미칩니다. 4가지 구성이 시장을 지배하고 있습니다.

스퍼 기어 모터

스퍼 기어에는 샤프트 축과 평행하게 절단된 직선 톱니가 있습니다. 평기어 DC 모터는 가장 간단하고 제조 비용이 가장 저렴한 기어 유형이므로 비용에 민감한 응용 분야의 기본 선택이 됩니다. 주요 약점은 소음입니다. 전체 톱니 폭이 각 메시 접촉에서 동시에 맞물리기 때문에 평 기어는 고속에서 특징적인 덜거덕거리는 소리를 생성합니다. 효율성은 좋으며(일반적으로 단계당 95~98%) 적당한 방사형 하중을 잘 처리합니다. 스퍼 기어 모터는 조용한 작동이 우선순위가 아닌 프린터, 장난감, 자동 판매기 및 경량 액추에이터에 일반적으로 사용됩니다.

유성 기어 모터

유성 기어박스는 중앙의 "태양" 기어 주위에 여러 개의 "유성" 기어를 배열하며 모두 링 기어 내에 포함되어 있습니다. 부하가 여러 유성 기어에 동시에 공유되기 때문에 유성 DC 기어 모터는 소형 동축 패키지로 매우 높은 토크 밀도를 제공합니다. 출력 샤프트는 모터 샤프트와 정렬되어 공간이 제한된 레이아웃에서 설치를 단순화합니다. 유성 기어박스는 스퍼 또는 웜 유형보다 견고하고 정밀하므로 로봇 공학, AGV(자동 가이드 차량), 전동 드라이버 및 높은 토크, 엄격한 위치 정확도 및 긴 서비스 수명을 요구하는 모든 응용 분야에서 선호되는 선택입니다. 단점은 비용입니다. 유성 기어박스는 동일한 토크 정격에서 스퍼 또는 헬리컬 유형보다 생산 비용이 훨씬 더 비쌉니다.

웜 기어 모터

웜 기어박스는 90도 각도로 웜휠과 맞물리는 나사형 웜 샤프트를 사용합니다. 이 구성은 단일 단계에서 매우 높은 감속비(일반적으로 5:1 ~ 100:1)를 달성하고 자연스러운 자체 잠금 특성을 제공합니다. 모터가 정지하면 부하가 기어박스를 역구동할 수 없습니다. 이로 인해 웜 기어 DC 모터는 차고 문 개폐기, 무대 리프트, 병원 침대 액추에이터 및 보안 장벽과 같이 전원 없이 부하가 위치를 유지해야 하는 응용 분야에 이상적입니다. 주요 제한은 효율성입니다. 웜 기어 메시 마찰은 높으며 일반적인 단일 스테이지 효율성은 리드 각도에 따라 50~90% 범위이며 비율이 높을수록 효율성이 점차 낮아집니다. 웜 기어 모터는 지속적인 고부하 듀티 사이클에서도 상당한 열을 발생시킵니다.

헬리컬 및 헬리컬 베벨 기어 모터

헬리컬 기어에는 샤프트 축에 대해 비스듬히 절단된 톱니가 있으므로 톱니 사이의 접촉은 갑작스럽지 않고 점진적이고 점진적입니다. 이는 평기어에 비해 소음과 진동을 획기적으로 감소시키며, 유효 접촉 면적이 넓어 부하 용량이 약간 향상됩니다. 헬리컬 DC 기어 모터는 컨베이어 드라이브, 포장 기계, 의료 장비 등 보다 조용한 작동이 필요한 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다. 헬리컬-베벨 조합을 사용하면 출력 샤프트가 모터에 대해 90도 각도로 오프셋될 수 있습니다. 이는 웜 드라이브와 유사하지만 효율이 더 높습니다(일반적으로 단계당 94~97%). 헬리컬 기어 메시에 의해 생성된 축방향 추력이 증가하려면 이 하중을 처리할 수 있는 베어링이 필요하며 이는 단위 비용에 약간 추가됩니다.

브러시형 대 브러시리스 DC 기어 모터

DC 모터 요소 자체는 두 가지 기본 아키텍처로 제공되며 둘 중 하나를 선택하는 것은 비용, 유지 관리 요구 사항, 속도 범위 및 서비스 수명에 큰 영향을 미칩니다.

프로토타입 제작 또는 저부하 간헐적 애플리케이션의 경우 간단한 L298N 또는 TB6612FNG H-브리지로 구동되는 브러시형 DC 기어 모터는 작업 시스템으로 가는 가장 빠르고 저렴한 경로입니다. 지속적으로 실행되거나 열악한 환경에서 작동하거나 현장에서 유지 관리 없이 몇 년 동안 지속되어야 하는 모든 경우에 브러시리스 DC 기어 모터는 높은 초기 비용과 추가 구동 전자 장치에도 불구하고 거의 항상 더 나은 총 소유 비용을 제공합니다.

구매하기 전에 이해해야 할 주요 사양

DC 기어 모터 데이터시트는 복잡할 수 있지만 5개의 매개변수가 모터가 귀하의 응용 분야에서 작동할지 여부를 결정합니다. 각 항목을 이해하면 가장 일반적인 선택 실수를 예방할 수 있습니다.

정격전압

DC 기어 모터 특정 공급 전압(산업 및 취미 애플리케이션에서 가장 일반적으로 6V, 12V, 24V 또는 48V)에 맞게 설계되었습니다. 정격 전압보다 훨씬 높은 모터를 작동하면 브러시 유형의 브러시 마모가 가속화되고 권선이 과열되며 베어링 수명이 단축됩니다. 정격 전압 이하로 작동하면 사용 가능한 토크가 줄어들고 부하가 걸리면 모터가 정지할 수 있습니다. 배터리 구동 시스템의 경우 모터의 정격 전압을 완전 충전이 아닌 중간 충전 시 공칭 배터리 팩 전압과 일치시켜 충전 주기 상단에서 과전압을 방지합니다. 새로 충전된 3S LiPo(12.6V)에서 작동하는 12V DC 기어 모터는 약간 허용됩니다. 4S 팩(16.8V)에서 실행하면 빠르게 파괴됩니다.

무부하 속도 및 출력 속도

무부하 속도는 모터가 적용된 토크가 0인 정격 전압에서 작동할 때의 출력축 RPM입니다. 실제 부하에서는 속도가 떨어지며 일반적으로 정격(연속) 토크에서는 10~20%, 최대 실속 토크에서는 최대 50%까지 떨어집니다. DC 기어 모터가 필요한 속도로 부하를 움직일 수 있는지 여부를 계산할 때 항상 무부하 수치가 아닌 예상 토크 작동 지점의 부하 속도를 사용하십시오. 제조업체에서는 무부하 속도와 실속 토크만 나열하는 경우가 있습니다. 부하 작동점은 대략 속도-토크 곡선의 중간에 위치합니다.

정격 토크 및 스톨 토크

정격 토크(연속 토크라고도 함)는 모터가 과열 없이 무한정 전달할 수 있는 최대 토크입니다. 스톨 토크는 샤프트가 정지 상태로 유지될 때 생성되는 최대 토크로, 일반적으로 브러시 DC 기어 모터 정격 토크의 5~10배입니다. 실속 토크는 간헐적인 최고 부하(예를 들어 막힌 밸브를 풀기 위해 필요한 힘)의 크기를 결정하는 데 유용하지만 실속 상태 또는 그 근처에서 계속 작동하면 모터가 빠르게 과열됩니다. 정격 토크가 애플리케이션의 예상 연속 부하 토크보다 최소 20~30% 높은 모터를 선택하십시오. 이 안전 마진은 마찰 변동, 전압 강하 및 온도 감소를 설명합니다.

기어비

기어비는 모터 샤프트의 회전 수로 출력 샤프트 1회전이 발생하는 것을 나타냅니다. 50:1 비율은 모터 50회전마다 출력이 한 번 회전한다는 의미입니다. 기어비가 높을수록 출력 속도는 낮아지고 출력 토크는 높아집니다. 그러나 비율이 매우 높으면 더 많은 기어단이 발생하여 마찰 손실과 백래시가 증가합니다. 즉, 방향이 바뀔 때 출력 샤프트에서 약간의 자유 유격이 발생합니다. 포지셔닝 애플리케이션의 경우 백래시는 중요한 사양입니다. 유성 기어박스는 일반적으로 정밀 등급에서 0.5~3각분의 백래시를 제공하는 반면 경제적인 스퍼 기어박스는 1~5도의 백래시를 가질 수 있으며 이는 반복 가능한 포지셔닝이 필요한 모든 항목에는 허용되지 않습니다.

듀티 사이클 및 열 등급

듀티 사이클은 주어진 사이클 기간 내에서 모터가 작동하는 시간과 정지하는 시간의 비율을 나타냅니다. S1(연속 사용) 등급의 모터는 과열 없이 정격 부하에서 무한정 작동할 수 있습니다. S2(단시간 듀티) 및 S3(간헐적 주기 듀티) 정격은 모터가 꺼진 기간 동안 냉각되므로 더 높은 피크 전력 수준을 허용합니다. 항상 모터의 듀티 등급을 실제 작동 사이클과 일치시키십시오. 30% 듀티 사이클 정격의 모터는 토크와 속도가 명판 제한 내에 있더라도 계속 작동하면 과열되어 고장납니다.

공통 전압 범위 및 각각의 용도

전압 선택은 모터 선호도보다는 사용 가능한 전원에 따라 결정되는 경우가 많지만 각 전압 계층의 일반적인 사용 사례를 이해하면 옵션 범위를 빠르게 좁히는 데 도움이 됩니다.

• 3V~6V DC 기어 모터: AA/AAA 배터리 또는 USB 전원으로 구동되는 소형 저전력 애플리케이션입니다. 장난감, 소형 로봇, 취미 프로젝트 및 교육용 키트에서 흔히 사용됩니다. 토크 출력은 일반적으로 0.5kg·cm 미만으로 낮으며 이러한 모터는 연속적인 무거운 부하에 적합하지 않습니다.
• 12V DC 기어 모터: 취미, 자동차 및 경공업 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 전압 등급입니다. 로봇 플랫폼, 자동 피더, 밸브 액추에이터, 카메라 팬/틸트 헤드 및 소형 컨베이어 드라이브에 적합합니다. 다양한 기어박스 유형과 감속비가 12V에서 제공되므로 소싱이 간단합니다.
• 24V DC 기어 모터: 산업 자동화, AGV 및 상용 등급 액추에이터의 표준입니다. 24V에서 모터는 동일한 전류 소비로 12V에 비해 2배의 전력을 공급할 수 있으므로 더 긴 케이블 길이에 걸쳐 더 얇은 도체로 배선이 단순화됩니다. 제조 분야의 대부분의 PLC 구동 시스템은 24V DC에서 작동하므로 모터 통합이 더 깔끔해집니다.
• 48V DC 기어 모터: 고전력 모바일 로봇, 전기 자동차 보조 시스템 및 중장비 산업용 장비에 사용됩니다. 48V에서는 많은 BLDC 설계의 모터 효율 피크가 발생하고 모터 드라이버의 스위칭 손실이 감소합니다. e-모빌리티 플랫폼과 자율 이동 로봇(AMR)에서 점점 더 보편화되고 있습니다.

귀하의 응용 분야에 적합한 DC 기어 모터를 선택하는 방법

처음에 모터를 올바르게 선택하면 비용이 많이 드는 재설계와 현장 오류를 방지할 수 있습니다. 다음의 실용적인 프레임워크를 따르십시오.

1단계 - 로드 요구 사항 정의

귀하의 어플리케이션이 출력 샤프트에서 요구하는 토크를 계산하십시오. 바퀴 달린 로봇의 경우 이는 로봇의 질량을 가속하고, 구름 마찰을 극복하고, 작동 중에 예상되는 경사를 오르는 데 필요한 힘을 계산하는 것을 의미합니다. 선형 액추에이터의 경우 리드 스크류에 가해지는 힘을 계산하고 이를 스크류 리드와 효율을 통해 모터 토크로 변환합니다. 마찰 변화, 노후화 및 최악의 하중 시나리오를 고려하여 25~50%의 안전 여유를 추가합니다. 마진이 적용된 이 목표 토크 수치는 최소 정격 토크 사양이 됩니다.

2단계 - 필요한 출력 속도 결정

귀하의 응용 분야에 필요한 최소 및 최대 출력 샤프트 속도를 설정하십시오. 직경 50mm의 구동 롤러를 사용하여 0.5m/s의 속도로 제품을 이동시키는 컨베이어에는 약 191RPM(0.5/(π × 0.05) × 60)의 출력 속도가 필요합니다. 모터가 정상 조건에서 실속 근처에서 작동하지 않도록 하려면 무부하 속도가 필요한 부하 속도보다 최소 15~20% 높은 모터를 선택하십시오.

3단계 - 적절한 기어박스 유형 선택

다음 결정 가이드를 사용하여 기어박스 유형을 적용 요구 사항에 맞추십시오.

• 저비용, 적당한 토크가 필요하고 소음에 민감하지 않음 → 스퍼 기어 모터
• 컴팩트한 크기, 높은 토크 밀도, 동축 출력 또는 위치 결정 정밀도가 필요함 → 유성 기어 모터
• 자체 잠금, 90° 출력 각도, 한 단계에서 매우 높은 비율 필요 → 웜 기어 모터
• 조용한 작동, 적당한 정밀도, 고효율 직각 출력 필요 → 헬리컬 베벨 기어 모터

4단계 - 전기적 호환성 확인

전원 공급 장치가 정지 시 모터의 피크 전류 수요를 제공할 수 있는지 확인하십시오. 브러시형 DC 기어 모터의 정지 전류는 일반적으로 무부하 전류의 5~10배입니다. 공급 장치가 시작 또는 정체 상태에서 일시적으로 이 전류를 공급할 수 없는 경우 조정 가능한 전류 제한이 있는 전류 제한 모터 드라이버를 추가하거나 적절한 헤드룸이 있는 모터 드라이버를 선택하십시오. 브러시리스 DC 기어 모터의 경우 BLDC 드라이버의 연속 및 피크 전류 정격이 최소 20% 마진으로 모터 요구 사항을 초과하는지 확인합니다.

5단계 - 환경 고려

표준 DC 기어 모터는 밀봉되어 있지 않습니다. 모터가 먼지, 습기, 냉각수 튀김 또는 세척 조건에 노출될 경우 IP 등급 장치를 지정하십시오. 먼지 및 튀김 보호를 위한 IP54, 보다 까다로운 환경을 위한 IP65 또는 IP67. 식품 가공, 제약 또는 해양 응용 분야의 경우 기어박스 윤활제가 해당 규제 요구 사항을 충족하는지 확인하십시오(예: 식품 접촉 구역에 대한 NSF H1 식품 등급 그리스). 작동 온도 범위도 중요합니다. 표준 모터의 정격은 주변 온도 0~40°C입니다. 북부 기후의 냉장 창고 또는 옥외 설치의 경우 저온 그리스 사양 및 권선 온도 등급을 확인하십시오.

산업 전반에 걸친 DC 기어 모터의 일반적인 응용 분야

DC 기어 모터는 광범위한 제품과 시스템에 등장합니다. 일반적으로 사용되는 위치를 이해하면 적절한 참조 설계와 검증된 구성을 식별하는 데 도움이 됩니다.

DC 기어 모터의 속도 제어 방법

DC 기어 모터는 DC 모터의 속도가인가 전압에 정비례하기 때문에 가변 속도 작동에 매우 적합합니다. 실제로 속도는 세 가지 방법 중 하나로 제어됩니다.

펄스 폭 변조(PWM)

PWM은 마이크로컨트롤러, PLC 및 모터 드라이버 IC에서 브러시형 DC 기어 모터를 제어하기 위한 표준 방법입니다. 드라이버는 고정 주파수(일반적으로 1~20kHz)에서 모터 공급 장치를 켜고 끄며, 듀티 사이클(공급 장치가 켜져 있는 시간의 백분율)에 따라 평균 전압과 속도가 결정됩니다. 12V에서 50% 듀티 사이클은 모터에 대략 6V를 제공합니다. PWM 제어는 스위칭 트랜지스터가 대부분의 시간을 완전히 켜거나 완전히 끄는 데 소비하여 저항 손실을 최소화하므로 효율적입니다. 1kHz 미만의 PWM 주파수에서는 전기자 권선이 스위칭 주파수에서 진동하므로 모터에서 윙윙거리는 소리가 들릴 수 있습니다. 20kHz 이상의 주파수는 이를 가청 범위 위로 밀어냅니다. 브러시형 DC 기어 모터의 경우 10~20kHz의 PWM 주파수가 일반적으로 실용적인 선택입니다.

인코더 피드백을 통한 폐루프 속도 제어

로봇 플랫폼, 테이프 드라이브, 정밀 디스펜싱 등 부하 변동에 관계없이 정확하고 일관된 속도가 필요한 애플리케이션의 경우 모터 샤프트 또는 기어박스 출력에 장착된 회전식 인코더가 PID 컨트롤러에 실시간 속도 피드백을 제공합니다. 컨트롤러는 실제 속도를 설정점과 비교하고 PWM 듀티 사이클을 조정하여 보상합니다. DC 기어 모터용 인코더는 일반적으로 직교 광학 또는 자기 홀 효과 유형이며 정밀도 요구 사항에 따라 회전당 6~수천 카운트의 분해능을 갖습니다. 많은 DC 기어 모터 공급업체는 통합 인코더 옵션을 표준 카탈로그 항목으로 제공하여 하드웨어 통합을 크게 단순화합니다.

전압 조정

부하가 상대적으로 일정하고 속도 정밀도가 중요하지 않은 간단한 시스템에서는 가변 DC 전원 공급 장치 또는 선형 전압 조정기를 사용하여 공급 전압을 조정하여 속도를 설정할 수 있습니다. 이 접근 방식은 효율성이 가장 낮습니다. 선형 조정기는 전압 강하를 열로 발산하고 부하 보상을 제공하지 않습니다. 그러나 이는 가장 간단한 구현이며 테스트 벤치, 수동 속도 조정 및 조정기의 열 발산이 문제가 되지 않는 매우 낮은 전력 애플리케이션에 적합합니다.

유지 관리, 수명 및 일반적인 오류 모드

DC 기어 모터의 고장 원인을 이해하면 서비스 간격을 연장하고 문제로 인해 예기치 않은 가동 중단 시간이 발생하기 전에 문제를 파악하는 시스템을 설계하는 데 도움이 됩니다.

• 브러시 마모(브러시 모터): 카본 브러시는 시간이 지남에 따라 마모되며 정류자 세그먼트를 연결하고 단락을 일으킬 수 있는 전도성 먼지를 생성합니다. 연속 사용 응용 분야에서 브러시 DC 기어 모터의 서비스 간격은 일반적으로 1,000~3,000시간입니다. 정류자 손상을 방지하려면 정기적으로 브러시를 검사하고 최소 길이(일반적으로 브러시 홀더에 표시되어 있음)에 도달하기 전에 교체하십시오.
• 베어링 고장: 베어링의 정격 용량을 초과하는 방사형 힘으로 출력 샤프트에 과부하가 걸리는 것은 브러시 기어 모터와 브러시리스 기어 모터 모두에서 조기 고장의 주요 원인입니다. 적용 분야의 결합된 방사형 및 축방향 샤프트 하중이 제조업체의 베어링 하중 사양 내에 있는지 항상 확인하십시오. 과도한 장력을 받은 벨트 드라이브와 잘못 정렬된 커플링이 자주 발생하는 원인입니다.
• 기어 윤활유 성능 저하:기어박스 그리스는 시간이 지남에 따라, 특히 극한의 온도에서 경화되고 점도를 잃습니다. 재윤활 간격은 작동 온도, 속도 및 부하에 따라 다르지만 일반적으로 밀봉된 기어박스의 경우 작동 시간 범위는 5,000~10,000시간입니다. 일부 밀봉된 장치는 정격 수명 동안 유지 관리가 필요 없도록 설계되었습니다. 다른 제품에는 정기적인 재급유를 위한 그리스 니플이 있습니다.
• 열 과부하: 모터를 정격 연속 토크 이상으로 작동하면 권선 온도가 절연 등급 제한을 초과하여 절연 성능이 영구적으로 저하됩니다. 단일 심각한 열 이벤트라도 모터 수명을 크게 단축시킬 수 있습니다. 과전류 차단 기능이 포함된 열 보호 드라이버가 있는 모터를 장착하거나 애플리케이션에 예측할 수 없는 부하 스파이크가 포함된 경우 직접 온도 모니터링을 위해 권선에 내장된 PTC 서미스터를 추가하세요.
• 기어 톱니 마모 및 파손: 로봇 휠이 연석에 부딪히거나 최고 속도로 급격하게 정지하는 액추에이터와 같은 충격 하중으로 인해 기어 톱니가 파손될 수 있으며, 특히 플라스틱 기어가 있는 경제적인 스퍼 기어박스에서 더욱 그렇습니다. 상당한 충격 하중이 있는 모든 응용 분야에 금속 기어(소결 강철 또는 황동)를 지정하고 모터 속도에서 하드 정지를 방지하기 위해 리미트 스위치가 있는 기계식 엔드 스톱을 추가하는 것이 가장 효과적인 예방 조치입니다.