[사례연구] 모터크기를 줄이니, 발열이 문제로다!!!

“소형화와 고정밀화는 양립할 수 없는가!”

 
과제/ 문제
자동차 제조업이나 전기 제조업 각각의 회사는 이전보다 더 품질 향상을 철저히 하고 있습니다. 부품 제조업 등의 협력 업체도, 사람의 손을 거치지 않고 제품 품질의 향상을 도모하는 수단의 하나로서, 생산 라인에 적극적으로 정밀 측정기를 도입하게 되었습니다.
이런 배경에서 측정 기기 시장은 최근 확대 기조에 있습니다. 그러나 “고 정밀”, “고신뢰”, “소형”, “저가격”이라는 요구가 점점 어려워지고 있으며, 측정 기기 업체 간 경쟁은 한층 격화되고 있습니다.
 

과제 및 문제의 포인트
1. 생산 현장에에서 즉시처리 가능한 작고, 저가격인 정밀측정기를 개발하고 싶다.
2. 온도 변화가 극심한 생산 현장에서도, 안정된 높은 정밀도를 내고 싶다.
3. 소형 모터를 사용하여 증가되는 발열을 줄이고 싶다.

 
소형화, 저가격화가 요구되는 정밀측정기 – 과제는 동력계!?

각종 측정 기기의 개발·제조를 다루는 E 사는 경쟁력 강화를 위해 생산 라인 조립용 소형 정밀 측정기의 개발 프로젝트를 시작했습니다.
E사 개발 부장 M씨는 이렇게 말합니다.
“정밀 측정기는 연구 개발과 품질 관리 등의 부문뿐만 아니라, 생산 현장에 도입이 진행되고 있습니다. 그곳에서 요구되는 것은 온도 변화가 자주일어나는 생산 현장에서도 안정된 높은 정밀도에서 파악할 수 있는 고품질의 측정기입니다. 또, 생산 현장에 즉시처리 가능한, 작으면서 저렴한 가격이 요구되고 있습니다.”
이러한 용도와 이용의 확대에 따른 새로운 기술 과제도 발생하였습니다.
“공장에서 사용되는 AC200V계열의 전원으로 동력 시스템을 구성하면, 제어 기기가 커지게 되며, 부품도 고가가 됩니다. 게다가 고압의 경우에는 안전 규격에도 까다로운 소형화의 장애가 발생하게 됩니다.
따라서 동력 계통을 DC48V이하로 구성하기로 했습니다. 이것으로 제어 기기의 대폭적인 소형화와 비용 절감을 할 수 있다고 생각했습니다. 또한, 장치를 소형화하기 위해서 장치의 빈 공간에 어울리는 형상의 서보 증폭기를 내재하기로 결정했습니다.”(M씨)
소형화와 비용 절감의 방침이 결정된 E 사는 최적의 서보 모터를 찾게되는데…

모터의 크기감소로 발열이 크게 발생… “소형화”와 “고정밀도화”는 양립할 수 없는 것일까?

DC48V이하로 구동 가능한 모터를 찾고 시험을 거듭했지만…
“전압을 낮추었기 때문에, 동일회전수를 발생시키기위해서는 모터에 흐르는 전류를 증가시켜야 했습니다. 또, 장치의 소형화를 위해서 모터 크기는 종래 기계에서 사용하던 73mm각 보다 작게하기로 했습니다. 그로써 모터의 발열이 크게 증가되었습니다. 발열은 금속을 열팽창시키므로, 계측에 오차가 발생합니다. 가뜩이나 온도 변화가 극심한 환경에서 사용하며, 측정정밀도를 내기 위해서도 극력발열을 억제시켜야했지만, 모든 회사의 모터를 시험해보아도 허용치를 크게 웃도는 결과였습니다.”(M씨)
개발의 막다른길에서 M씨는 “소형화”와 “고정밀도화”의 양립이라는 어려운 과제에 골머리를 썪게 됩니다.

 
해결책
 

효과 및 결과
1. 정밀측정기의 소형화에 성공으로 설치 면적을 40%절감.
2. 소용량 DC서보 모터와 내재 앰프로 30%의 비용절감을 실현.
3. 권선의 “최적 커스터마이즈”에서 모터의 온도 상승을 억제.
4. 샤프트의 커스터마이즈 등, 치밀한 지원으로 사용자를 지원.

 
해결의 실마리를 찾던 M씨는, DC서버 시스템을 만들고 있는 산요전기의 영업 담당자에게 연락을 통해 이러한 과제에 대해서 상담했습니다. 산요전기의 “DC서보 모터를 커스터마이즈하여 최적화합시다”라는 제안을 받아 즉시 대응을 의뢰하였습니다.

권선의 [최적의 커스터마이즈]로 모터의 온도상승을 제어!

산요전기는 바로 E사의 요구 사양에 맞춰 권선 사양을 사용자 지정한 시제품을 납품. 모터를 받은 E 사는 즉시 실제 기기에 내장 검증을 시작했습니다.
“이 장치에서는 3축 DC모터를 사용하지만, 3축 전부 요구 사양에 적합한 속도와 토크를 낼 수 있는 모터를 설계했습니다. 권선을 미세 조정하는 노하우와 기술력에 대단히 놀랐습니다.
하지만 Y축만 아주 조금 온도가 허용치를 초과했습니다. 부하 효율이 낮은 구성이었기 때문에, 목표의 회전수를 달성하기 위해서는 전류를 높여야 하며, 발열이 크게 증가하게 됩니다. 설치 부분의 제한이 있는 모터의 용량 증가는 불가능하므로, 부하 주변의 구조를 개선하기로 했습니다.
이런 결정으로 산요전기 모터 설계자가 방열 경로나 공기의 흐름을 따라서 함께 발열의 문제를 생각해 조언해 주었습니다. 친절하게 함께 과제를 해결해 주는 자세에 감동을 받았습니다.”(M씨)
권선 사양의 조정과 기계 쪽의 모터 방열 효율 제고에 의해 모터 표면 온도를 10℃ 이상 절감하는 데 성공하며, 발열을 허용치 이내에 거둘 수 있었을 때, M씨는 장치의 소형화와 고정밀도화를 양립할 수 있다고 확신했다고 합니다.

정밀측정기의 소형화에 성공! 설치 면적을 40% 절감

또한, 산요전기는 종래 기계의 풀리를 유용할 수 있도록 모터 샤프트의 커스터마이즈를 제안했습니다. 이러한 섬세한 지원이 결정적으로 E 사는 산요 전기제 DC서보 모터의 채용을 결정했습니다.
“이번에 저속일 때 응답성이 높은 소용량 DC서보 모터를 사용하며, 앰프를 내재하는 것으로 장치의 고정 밀도화, 소형화, 저비용화를 실현하려고 생각한 것이지만, 발열이라는 뜻밖의 벽에 부딪쳐 버렸습니다. 그러나, 이러한 과제를 해결한 덕분에, DC서보 모터를 사용할 수 있어서 측정기의 설치 면적을 40%저감하는데 성공했습니다. 또, 내재 앰프에서 여분의 기능을 생각하여, 비용도 30%삭감할 수 있음을 알았습니다.”(M씨)