흔들림 길들이기: 코깅 토크 및 토크 리플에 대한 가이드

저는 수년 동안 모터를 사용해 왔습니다. 제 경험에 따르면 모든 토크가 같지는 않다는 것을 알게 되었습니다. 충분한 출력을 가진 것처럼 보이는 모터가 있을 수 있습니다. 하지만 흔들리거나 소리가 나거나 원하는 만큼 부드럽게 움직이지 않을 수 있습니다. 이러한 문제의 원인은 코깅 토크와 토크 리플이라는 두 가지입니다. 이 두 가지 문제에 대해 제가 배운 것을 공유하고자 합니다. 이 글에서는 이 두 가지 문제가 무엇인지에 대해 이야기하겠습니다. 또한 이러한 문제가 발생하는 이유와 이를 해결하기 위해 무엇을 할 수 있는지에 대해서도 설명하겠습니다. 이 글은 모터 시스템이 흔들림 없이 작동하기를 원하는 분들을 위한 글입니다.

모터에서 코깅 토크가 발생하는 주된 이유는 무엇인가요?

소형 브러시리스 DC 모터를 처음 잡았을 때가 생각납니다. 손으로 샤프트를 돌렸죠. 이상하고 울퉁불퉁한 느낌이 들었습니다. 로터가 특정 지점에 부딪히는 것 같았죠. 그 느낌이 바로 코깅 토크입니다. 모터에 동력이 없는 상태에서도 느낄 수 있는 딸깍거리는 토크입니다. 이 효과는 로터의 영구 자석과 고정자의 강철 부품이 함께 작동하는 방식 때문에 발생합니다.

이렇게 생각하면 됩니다. 로터의 영구 자석은 항상 작동하고 있습니다. 강력한 자기장을 가지고 있습니다. 고정자는 자기장이 끌어당기는 재료로 만들어집니다. 자석은 가장 쉬운 경로를 택합니다. 이 길은 바로 고정자 톱니로 이어집니다. 이 끌어당기는 인력이 부품을 자연스러운 위치에 정렬시킵니다. 로터를 회전시키려고 할 때 자석을 고정자의 톱니에서 떼어내기 위해 약간의 힘을 사용해야 합니다. 이것이 코깅 토크입니다. 이 울퉁불퉁한 느낌은 많은 모터 설계에서 나타나는 정상적인 부분입니다. 그렇기 때문에 로터가 정지 상태에서 움직이기 시작하려면 어느 정도의 토크가 필요합니다.

로터와 스테이터가 함께 작동하면 어떻게 토크 리플이 발생하나요?

다음으로 토크 리플에 대해 이야기해 보겠습니다. 코깅 토크와 비슷하게 느껴질 수 있지만 다릅니다. 모터가 켜져 있고 작동 중일 때 발생합니다. 토크 리플은 모터 샤프트가 회전할 때 발생하는 토크의 변화를 말합니다. 모터가 고르지 않은 토크를 생성하는 이유는 몇 가지가 있습니다. 가장 큰 이유는 앞서 코깅 토크에 대해 이야기한 것과 동일한 자기적 상호 작용 때문입니다. 로터 자석은 여전히 고정자 톱니를 향해 당겨집니다. 이 당김은 리플 토크를 생성합니다.

하지만 모터에 전원을 공급할 때 이런 일이 발생하는 또 다른 큰 이유가 있습니다. 고정자 권선을 통과하는 전류는 자체 자기장을 만듭니다. 모터는 이 자기장과 회전자 영구 자석의 자기장이 함께 작용하는 방식으로 토크를 생성합니다. 고정자 부품과 권선의 모양은 완벽하지 않습니다. 이 때문에 이들이 함께 작동하는 방식이 완벽하게 매끄럽지 않습니다. 로터가 회전함에 따라 두 자기장이 정렬되는 방식이 계속 바뀝니다. 이로 인해 토크가 오르락내리락합니다. 이것이 바로 토크 리플을 발생시키는 원인입니다. 좋은 모터 제어 시스템은 이 리플 토크를 처리하려고 노력합니다.

모터가 꺼져 있는데도 코깅 토크가 느껴지는 이유는 무엇인가요?

아주 좋은 질문입니다. 코깅 토크가 실제로 무엇인지 설명하는 데 도움이 됩니다. 앞서 말했듯이 모터에 전원이 공급되지 않는 상태에서 코깅 토크를 느낄 수 있습니다. 코깅 토크는 자석 때문에 발생하는 물리적인 현상입니다. 로터의 영구 자석은 항상 켜져 있습니다. 자기장이 항상 존재합니다. 고정자 코어에는 톱니라고 불리는 튀어나온 부분이 있습니다. 이 부분은 자속이 따라갈 수 있는 경로를 제공합니다.

자기장은 항상 가장 쉬운 경로를 찾습니다. 즉, 로터 자석을 고정자 톱니 바로 옆에 정렬하는 것입니다. 이렇게 하면 매우 강한 인력이 생성됩니다. 또한 안정적인 휴식 위치도 만들어 줍니다. 샤프트를 돌리면 이 자력과 싸우는 것입니다. 자석이 한 톱니에서 분리되어 다음 톱니로 이동하려면 토크를 가해야 합니다. 이것이 "울퉁불퉁"하거나 "딸깍"거리는 느낌이 드는 이유입니다. 이는 영구 자석과 슬롯형 고정자가 있는 모든 모터의 자연스러운 동작입니다. 이는 모터의 제작 방식에 따른 직접적인 결과입니다. 이러한 유형의 모터는 모두 코깅 토크를 나타냅니다.

코깅 토크와 토크 리플의 진정한 차이점은 무엇인가요?

사람들이 코깅 토크와 토크 리플이라는 단어를 같은 의미인 것처럼 사용하는 경우를 종종 봅니다. 이 둘은 서로 연결되어 있지만 같은 의미는 아닙니다. 표로 정리하면 차이점을 더 명확하게 파악하는 데 도움이 될 것 같습니다.

따라서 코깅 토크를 퍼즐의 한 조각으로 볼 수 있습니다. 코깅 토크는 토크 리플을 생성하는 데 도움이 됩니다. 모터가 작동하면 총 토크 리플을 느낄 수 있습니다. 이는 코깅 토크와 전류를 가하는 방식에 따른 리플이 혼합된 것입니다. 따라서 전류가 흐르는 동안 제어하려는 것은 토크 리플입니다. 코깅 토크는 모터 제어가 평활화를 시도해야 하는 기본 수준의 변화를 생성합니다. 모터가 낮은 코깅 토크를 가질 수 있습니다. 그러나 제어 시스템이 제대로 설정되지 않은 경우 여전히 많은 토크 리플이 발생할 수 있습니다.

모터의 설계는 이러한 원치 않는 힘을 어떻게 변화시킬까요?

모터의 설계는 모터의 코깅 토크를 결정하는 데 가장 중요한 부분입니다. 저는 엔지니어들이 이 문제를 해결하기 위해 많은 시간을 투자하는 것을 지켜보았습니다. 코깅 토크의 양은 로터의 고정자 슬롯과 자극의 수에 따라 달라집니다. 이 숫자를 변경하면 큰 차이를 만들 수 있습니다. 자주 사용되는 또 다른 방법은 로터에 있는 고정자 라미네이션 또는 로터 자석이 있습니다. 고정자 슬롯이나 자석은 직선이 아닌 작은 각도로 배치되어 있습니다. 이렇게 하면 로터가 회전할 때 자기 인력의 변화가 더 점진적으로 일어납니다. 이는 디텐트 효과를 부드럽게 하는 데 도움이 됩니다.

토크 리플의 경우 모터 설계도 매우 중요합니다. 영구 자석의 모양을 더 좋게 만들 수 있습니다. 고정자 슬롯에 와인딩을 배치하는 방식도 큰 차이를 만듭니다. 권선을 잘 설정하면 전류가 흐를 때 더 부드러운 자기장을 만들 수 있습니다. 모터 설계자의 목표는 가능한 한 일정한 토크를 내는 모터를 만드는 것입니다. 이렇게 하면 모터 제어 시스템의 작업이 훨씬 간단해집니다. 고정자의 적층 재료조차도 자기장과 발생하는 리플 토크에 영향을 미칠 수 있습니다.

모터 드라이브를 사용하여 토크 리플을 제어할 수 있나요?

네, 가능합니다. 이때 새로운 모터 제어 방법이 매우 유용합니다. 일단 물리적 모터가 있으면 내장된 코깅 토크를 변경할 수 없습니다. 하지만 총 토크 리플을 낮추기 위해 많은 일을 할 수 있습니다. 모터 드라이브는 전자 두뇌와 같습니다. 모터가 무엇을 해야 하는지 알려줍니다. 고정자 권선으로 들어가는 전류를 제어합니다. 이 전류를 신중하게 형성함으로써 드라이브는 토크 변화를 상쇄할 수 있습니다.

스마트 제어 방법은 모터의 토크 리플 패턴을 학습할 수 있습니다. 제어 시스템은 특정 로터 위치에서 모터의 토크가 감소한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 이를 보완하기 위해 바로 그 순간에 약간의 추가 전류를 보냅니다. 그런 다음 모터가 최대 토크를 내는 지점에 도달하면 제어 시스템은 전류를 조금만 낮춥니다. 이를 위해서는 로터 위치에 대한 매우 정확한 정보와 빠른 처리 루프가 필요합니다. 첨단 드라이브는 토크 리플을 크게 낮출 수 있으며, 때로는 90% 이상까지 낮출 수 있습니다. 이는 매우 정확해야 하는 많은 시스템의 목표입니다.

토크 리플은 어느 속도에서 더 큰 문제가 될까요?

이것은 매우 흥미로운 질문입니다. 토크 리플은 항상 나쁘다고 생각할 수 있습니다. 하지만 그 효과는 실제로 모터의 속도에 따라 달라집니다. 매우 낮은 속도에서는 토크 리플이 쉽게 눈에 띕니다. 로봇 팔이 매우 느리고 부드럽게 움직이려고 한다고 생각해보세요. 토크에 변동이 생기면 로봇 팔이 들쑥날쑥하게 움직일 것입니다. 이 상황에서는 코깅 토크와 리플 토크가 모두 큰 문제입니다. 저속에서 부드럽게 작동하도록 만들어진 모터와 제어 시스템이 필요합니다.

그러나 고속에서는 토크 리플의 영향을 덜 걱정할 수 있습니다. 로터와 로터의 하중이 계속 움직이는 경향이 있기 때문입니다. 모터가 너무 빠르게 회전하기 때문에 토크의 작고 빠른 변화가 속도에 큰 변화를 일으킬 시간이 충분하지 않습니다. 시스템 자체의 전진 동작이 필터처럼 작용합니다. 하지만 고속에서도 토크 리플은 흔들림이나 소음과 같은 원치 않는 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 모션이 매끄럽게 보일 수 있습니다. 하지만 그 아래에서 발생하는 토크 리플은 여전히 모터와 전체 시스템에 스트레스를 유발할 수 있습니다. 리플 토크가 문제가 되는 모터 속도는 특정 용도에 따라 다릅니다.

고르지 않은 토크는 어떤 문제를 일으킬 수 있나요?

새로운 시스템을 만들 때는 항상 토크 리플의 결과에 대해 생각해야 합니다. 문제는 성가신 작은 것일 수도 있습니다. 또는 시스템 전체를 망가뜨리는 큰 문제가 될 수도 있습니다. 가장 흔한 문제는 흔들림과 소음입니다. 토크의 지속적인 변화는 전체 모터와 연결된 부품을 흔들리게 만들 수 있습니다. 이는 종종 윙윙거리거나 윙윙거리는 소리로 들릴 수 있습니다. 모터 속도가 올라가거나 내려갈수록 더 심해집니다.

더 정확해야 하는 시스템에서는 결과가 더 나쁩니다.

• 올바른 위치에서 멈추지 않음: 로봇이나 절단기에서는 토크 리플 때문에 모터가 정확한 목표 위치에 멈추지 않을 수 있습니다. 이로 인해 정확도가 떨어집니다.
• 속도 제어 불량: 속도가 매우 일정해야 하는 시스템의 경우 토크 리플은 매우 큰 문제입니다. 토크 리플은 "속도 리플"이라고도 하는 작은 속도 변화를 일으킵니다. 이는 스캐너, 프린터 또는 레코드 플레이어와 같은 장치에 좋지 않습니다.
• 부품 마모: 리플 토크로 인한 지속적인 흔들림으로 인해 베어링 및 기타 기계 부품이 더 빨리 마모될 수 있습니다. 이는 오랜 시간 동안 스트레스와 손상을 유발할 수 있습니다. 토크 리플이 높은 모터는 부드러운 응답을 얻기 위해 더 어렵고 비용이 많이 드는 제어 시스템이 필요합니다.

영구 자석은 이 동작에 어떤 영향을 미치나요?

영구 자석은 특히 브러시리스 DC 모터의 경우 이 주제에서 매우 중요한 부분입니다. 이 모터는 새로운 유형의 자석에서 나오는 강한 자기장 덕분에 강력하고 에너지 사용량이 적습니다. 하지만 이와 같은 강한 자기장이 코깅 토크를 발생시키는 원인이기도 합니다. 자석의 강도 또는 자속 밀도는 코깅 토크의 강도에 직접적인 영향을 미칩니다. 자석이 더 강한 모터는 일반적으로 코깅 토크가 더 많이 발생합니다.

영구 자석의 모양과 로터에 배치하는 위치도 모터 설계에서 매우 중요한 부분입니다. 설계자는 자기장을 더 부드럽게 만들기 위해 자석의 모양을 만들 수 있습니다. 이는 코깅 토크와 토크 리플을 모두 낮추는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 단순한 사각형 자석 대신 좀 더 둥근 모양을 사용할 수 있습니다. 로터 주위에 자석을 설치하는 방식도 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 특수 설정을 통해 자기장을 한쪽에 집중시키고 다른 쪽은 약하게 만들 수 있습니다. 이는 모터의 작동을 개선하고 원치 않는 토크 변화를 줄이는 또 다른 방법입니다. 모든 모터가 같은 방식으로 영구 자석을 사용하는 것은 아니므로 모터의 유형이 중요합니다.

코깅 토크와 리플 토크를 낮추는 가장 좋은 방법은 무엇인가요?

저는 이러한 문제를 해결하려면 두 단계로 문제를 해결할 수 있는 방법이 필요하다는 것을 알게 되었습니다. 모터를 더 좋게 만들고 더 스마트한 제어 방법을 사용해야 합니다. 모터의 코깅 토크가 처음부터 매우 높다면 컴퓨터 프로그램으로만 해결할 수 없습니다. 결국 좋은 시스템 설계가 중요합니다.

먼저 올바른 모터를 선택해야 합니다. 저속에서 매우 부드러운 움직임이 필요한 작업이라면 코깅 토크가 낮은 모터를 선택해야 합니다. 이는 "코어리스" 또는 "슬롯리스" 모터를 의미할 수 있습니다. 이러한 모터에는 자석이 잡아당기는 고정자 톱니가 없습니다. 또는 경사진 고정자 적층, 더 많은 극 또는 특수한 모양의 자석이 있는 모터일 수도 있습니다. 이러한 기능은 문제의 물리적 원인을 극복하는 데 도움이 됩니다. 표준 모터는 비용이 저렴할 수 있지만 작업에 적합한 모터가 아닐 수도 있습니다.

둘째, 스마트 제어를 적용해야합니다. 빠른 프로세서가 장착된 새 드라이브는 특별한 지침을 사용하여 토크 리플을 능동적으로 제거할 수 있습니다. 이를 위해서는 일반적으로 인코더와 같은 피드백 장치가 필요합니다. 이 부품은 제어 루프에 정확한 로터 위치를 알려줍니다. 이러한 지식을 바탕으로 드라이브는 초당 수백 또는 수천 번 전류를 변경할 수 있습니다. 이는 토크를 부드럽게 하기 위한 것입니다. 좋은 모터와 스마트 드라이브를 함께 사용하면 부드럽고 연속적이며 정확한 움직임을 얻을 수 있는 최고의 기회를 얻을 수 있습니다.

주요 내용

수년간 생각할 수 있는 모든 유형의 모터를 다뤄본 결과, 코깅 토크와 토크 리플에 대해 기억해야 할 가장 중요한 사항은 다음과 같습니다:

• 코깅 토크는 자기 클릭 토크를 말합니다. 모터에 동력이 없을 때 느낄 수 있습니다. 이는 로터의 영구 자석과 고정자 톱니 사이의 인력으로 인해 발생합니다.
• 토크 리플은 모터가 켜져 있을 때 토크의 위아래 변화를 말합니다. 모터 권선에 전류가 전달되는 방식에서 발생하는 코깅 토크와 리플이 혼합된 것입니다.
• 제어 프로그램으로는 코깅 토크를 제거할 수 없습니다. 하지만 코깅 토크가 적도록 설계된 모터를 선택할 수는 있습니다. 경사 라미네이션과 슬롯리스 설계가 이를 위한 두 가지 방법입니다.
• 스마트 모터 드라이브로 토크 리플을 방지할 수 있습니다. 첨단 제어 방법으로 전류를 형성하여 토크의 변화를 상쇄할 수 있습니다. 하지만 이를 위해서는 정확한 위치 정보가 필요합니다.
• 토크 리플의 문제는 저속에서 가장 두드러집니다. 더 높은 rpm에서는 모터 자체의 움직임이 문제를 완화하는 데 도움이 됩니다. 하지만 흔들림과 소음은 여전히 문제가 될 수 있습니다.