공압 드라이브와 유압 드라이브를 대체하는 전자 기계식 액추에이터

무거운 화물을 이동하거나 빠른 동작을 실행하기 위해서는 일반적으로 유압 실린더나 공압 실린더를 사용해왔다. 이제 전자 기계식 액추에이터도 이러한 작업을 담당할 수 있으며, 이를 넘어서는 많은 장점을 제공하고 있다.

카트야 반 샤겐(Katja van Schagen): SKF Linearsysteme GmbH 어플리케이션 엔지니어링 매니저 및 액추에이터 제품 매니저

지난 수 십 년간 빠른 동작을 실행하거나 큰 힘이 필요하거나 높은 하중을 옮겨야 하는 경우 공압 드라이브나 유압 드라이브 솔루션을 일차적으로 선택하였다. 하지만 이 공압 시스템이나 유압 시스템도 리니어 기술에서 온 새로운 전자 기계식 액추에이터와 경쟁하게 되었다.

전자 기계장치는 힘 전달을 위한 매체를 필요로 하지 않는다

그림 5: SKF의 전자기계식 액추에이터는 자동차 생산 등 수많은 응용 사례에 사용되고 있다.

전자기계시스템은 여러 응용사례에서 공압 드라이브나 유압 드라이브 등 전통적인 구동 요소에 비해 많은 장점을 제공하고 있다. 전자기계시스템은 콤팩트하고 가벼우며 전기 모터를 직접 연결할 수 있어 컴프레서, 펌프, 오일 탱크, 파이프 라인, 필터 등 추가의 공간이 필요하지 않다. 힘을 전달하기 위한 매체도 필요 없어 안전과 환경 보호 관점에서도 여러 장점을 제공한다. 오일 누출로 인한 화재나 오염 또는 손상 위험이 훨씬 줄어들었다. 전기적으로 작동하는 이 액추에이터는 기존의 사용했던 어떤 솔루션보다 작동 소음도 적다.

전자기계시스템은 성능 면에서도 월등한 이점을 제공한다. 전자기계시스템은 유압 액추에이터에 비해 속도와 성능 스펙트럼이 더욱 넓고, 공압 실린더에 비해 위치 정확도가 높으며 균일하게 작동한다. 유압 시스템은 작동 기간이 길거나 작동 온도에 따라 유압유의 점도가 변할 수 있어 기계 성능을 저하시킬 수 있다. 전자기계시스템은 항상 정밀한 공차 이내에서 작동하며, 움직이는 부품은 입증된 구름 베어링 기술을 기반으로 특정 작동 조건 하에서 수명을 예측할 수도 있다.

공압 및 유압 액추에이터는 구매 초기에 좋다

이런 여러 장점에도 불구하고 전자기계식 액추에이터에도 한 가지 약점을 가지고 있다. 바로 높은 비용이다. 전기 구동장치의 초기 구매비용은 공압이나 유압 장치에 비해 비용이 매우 높은 편이다. 과거에는 이러한 문제로 인해 특정 응용 사례에서 전기기계솔루션을 초기부터 배제시키기도 했다. 하지만 전체 라이프 사이클을 통해 발생하는 비용을 산정해 보면, 이러한 주장은 근거가 없다는 것을 알 수 있다. 전체 이용 기간을 고려해 보면, 전자기계식 액추에이터가 구매 비용을 능가하는 큰 절감 효과를 제공하기 때문이다. 이 비용 절감은 다음의 6가지 주요 요인에서 비롯된다.

그림 2: 전자기계식 액추에이터는 입력 파워의 약 80%까지 리프팅 힘을 제공한다. 그에 비해 공압식 실린더는 32%에 불과하다.

■ 에너지 효율성: 작동 압력을 제공하기 위해 전기 에너지를 운동으로 변환하는 과정에서 펌프 자체의 손실과 오일 마찰, 파이프 라인 누출, 실린더 내 추가 손실 등 유압 및 공압 시스템의 경우 여러 지점에서 에너지 손실이 발생한다. 전반적으로 공압 시스템의 효율은 35% 미만이며, 유압 시스템의 경우 에너지 수율을 약 50% 이상으로 전제할 수 있다. 그에 비해 전자기계식 시스템은 모터 출력 한계와 기어 및 액추에이터 콤포넌트 마찰에서만 손실이 발생하기 때문에 리프팅 힘을 위해 입력 성능의 약 80%까지 이용할 수 있다(그림 2).

■ 근소한 열 발생: 공기를 압축할 때 발생하는 열은 회수한다. 유압 기계에서 에너지 손실은 열 발생 형태로 영향을 끼친다. 플라스틱 사출기와 같은 정밀 응용 분야에서는 이런 열을 냉각 장치를 통해 배출해야 한다.

■ 짧은 택트 타임: 유압 실린더에 비해 전자기계식 액추에이터의 빠른 속도와 향상된 제어로 기계 리드 타임이 짧아지고 생산성이 높아질 수 있다. 이때 작동 스트로크는 택트마다 개별적으로 선택하여 불필요한 „유휴 스트로크“를 피할 수 있다. 이는 택트 타임 단축에 기여할 수 있다.

■ 재료 활용도 향상: 더욱 높은 정확도와 일정하게 유지되는 작동 성능을 바탕으로 유압 실린더에 비해 전자기계식 드라이브의 반복 정확도는 두 배 이상 높다.

■ 기계 가용성 연장: 전자기계식 드라이브에는 마모 부품이 거의 없으며, 마모 부품들은 대부분 기어의 볼 스크류 또는 롤러 스크류에 위치한다. 따라서 정비 작업을 실질적인 액추에이터에 집중할 수 있고 고장을 찾는 시간이 줄어든다.

■ 간단한 정비: 기계가 전기적으로 작동될 때에 드는 비용이 유압 및 공압식 드라이브 솔루션에 비해 적다. 오일, 필터, 씰을 구매하지 않아도 되며, 교체를 위한 작동중지 시간도 발생하지 않는다. 또한 누출에 대한 예비 조치를 취하지 않아도 되므로, 전형적인 생산기계에서 비용을 절감한다. 절감 액의 거의 절반은 에너지 소비가 아닌 다른 영역에서 발생한다.

그림 3: SKF CASM 시리즈는 자동화된 고속 생산의 까다로운 작업 사이클을 위해 개발되어, 기존의 수많은 생산 시스템에서 공압 실린더와 유압 실린더의 대체품목으로 적합하다.

SKF의 신세대 전자기계식 액추에이터는 이러한 구조적 장점을 기반으로 뛰어난 성능과 수명을 제공한다. 또한 간단하게 기계에 통합할 수 있다. 예를 들면 새로운 CASM 시리즈9 (그림 3)가 자동화된 고속 생산에서 까다로운 작업 사이클을 위해 개발되었다.

기존 시스템의 공압 실린더에 대한 직접적인 대안인 리프팅 실린더

SKF의 CASM 리프팅 실린더는 모듈러 구조이며, 다수의 표준 사이즈로 제공되어 기존 생산 시스템 공압 실린더의 대안으로 사용할 수 있다. 이 리프팅 실린더는 여러 타입의 모터와 함께 사용할 수 있어, 시스템 운영자들에게는 구매 또는 대체부품 관리가 수월하다. 선호하는 공급자로부터 모터를 구매할 수 있기 때문이다. 고정 옵션과 액세서리 부품의 스펙트럼 폭이 넓어 수많은 응용 사례에 신속하고 쉽게 통합할 수 있다.

CASM 리니어 유닛의 내부구조는 뛰어난 성능과 긴 수명을 목표로 설계되었다. 이 유닛은 영구적으로 윤활이 되며, 내장되어 있는 필터와 마모 링은 외부의 먼지와 오염물 유입으로부터 보호된다. 내장된 마그넷 링과 홈붙이 알루미늄 하우징 덕분에 외부 센서를 사용할 수 있다. 기계 컨트롤 및 시스템 통합을 단순화하기 위해 BLDC 모터와 통합 제어 시스템, 브레이크, 옵션인 필드버스 인터페이스가 있는 CASM 리니어 유닛을 사용할 수 있다. 외부 모터 제어가 필요 없어 브러시리스 모터 변종은 설치 비용을 낮추고 동시에 케이블 설치 수고를 줄인다. 단일 케이블을 통해 여러 모터에 전류를 공급하고 제어할 수 있기 때문이다. 기계 설정도 간단하다. 특별히 개발된 SKF 프로그래밍 도구는 그래픽 유저 인터페이스를 통해 모터 매개변수를 설정할 수 있다. 해당 속도, 가속, 지연을 포함하는 최대 14개의 액추에이터 위치가 모터에 다운로드하도록 제공되고, 기계를 PLC나 스위치를 통해 제어할 수 있어, 작은 기계에 대해 매우 경제적인 „Stand-alone“ 컨트롤 솔루션을 실현할 수 있다.

그림 4: SKF는 하중이 높은 응용 사례를 위해 LEMC 타입의 새로운 전자기계식 리프팅 실린더를 제공한다. 이 실린더는 볼 스크류 대신 유성 롤러 스크류 드라이브를 장착하고 있다.

SKF는 하중이 높은 응용 사례를 위해 모듈러 시리즈 CASM 100 외에도 LEMC 타입의 새로운 전자기계식 리프팅 실린더를 제공하고 있다(그림 4). 이 실린더는 볼 스크류 대신 유성 롤러 스크류 드라이브를 장착하고 있다. 이 액추에이터는 종래의 버전보다 높은 성능밀도를 지니며, 극심한 진동이 있는 환경에서도 성능을 높일 수 있다. SKF의 전자기계식 액추에이터는 다양한 응용 사례에서 최적의 상태를 유지하고 있다.