SolidWorks Motion Simulation 모터 용량 계산 가이드 1/2

산업 기계에서 적절한 모터용량 선정은 중요한 문제입니다.

시뮬레이션을 통한 모터 용량 계산

모터 용량 선정 방법중 경험을 토대로 선정하거나 계산 양식, 혹은 모터 제조 업체의 프로그램을 이용하는 등 여러가지 방법이 있지만 모션 시뮬레이션으로 계산하는 방법에 대하 알아보겠습니다.

시작에 앞서 과연 SolidWorks Motion Simulation의 계산 결과는 과연 신뢰할수있을정도의 계산 결과가 나오는지 먼저 검증을 해볼까 합니다.

참고로 SolidWorks Simulation 토튜리얼에는 시뮬레이션 계산 결과가 실제 계산결과와 얼마나 차이 나는지에 대한 몇가지 자료가 있습니다. 유투브 자료를 찾다보면 관련 내용도 어렵지 않게 찾아볼수 있을정도로 솔리드웍스의 시뮬레이션은 어느정도 자부심(?)이 있는듯 합니다.

SolidWokrs Motion Simulation은 Premium 버전에서 사용 가능합니다.

그럼 얼마나 차이가 나는지 계산을 한번 해보도록 하겠습니다.

수기로 모터 용량 계산

웍스 모션과 비교를 위해 간단한 형태를 계산하겠습니다.
외경 100mm, 길이가 100mm, 속이 가득찬 S45C의 원통을 200rpm으로 회전시킬때, 가속시간은 0.5초라 가정하고 계산 해보도록 하겠습니다.
(계산 비교를 위해 벨트 or 기어등의 구동방식에 대한 조건이나 다른 조건은 계산에서 제외 시켰으며 계산식 또한 간단한 계산식을 적용했습니다.)

모터 용량 계산시 가장 중요하게 생각할 부분은 물체가 정지한 상태에서의 초기 구동의 힘 입니다. 이때 가장 많은 힘이 필요하기 때문에 등속구간의 힘과 가속구간의 힘을 합해야 구동 가능한 모터의 힘이 됩니다. 이 점을 간과하시는 분이 생각보다 많습니다. 

다시 이야기 하자면 초기 구동 토크를 구하는 것이 가장 중요합니다. 
하지만 지금은 계산값과 해석값의 비교를 위해 모두 다 한번 구해보겠습니다.

1. 처음으로 무게를 계산 해보면
Ø100 x 100L x 7.85(비중) = 6.16[kg]

2. 관성모멘트 계산
관성 모멘트[J]의 여러 계산 공식중 무게와 지름값으로 계산을 하면

관성모멘트 J[kg.m^2] = m[무게kg] x D^2[지름m] / 8로 계산 할수 있습니다.
6.16[kg] x 0.1[m]^2 / 8 = 0.0077[kg.m^2]

참고로 관성모멘트GD^2 값은 현재 계산한 관성모멘트 J에 x 4를 하면 됩니다.
(GD^2값에 대한 여러 계산공식이 있지만 이 공식이 가장 간단한듯 합니다.)

GD^2 = 0.0077 x 4 = 0.0308[kg.m^2] 

3. 가속 토크 계산
토크[kg.f-m] = 모멘트 J / 중력가속도 x 2 x π x 초당회전수 / 가속시간(초)
= 0.0077 / 9.8 x 2 x π x (200/60) /0.5
토크 = 0.0329[kg.f-m]

4. 파워소비량 계산
마력 = 토크 x 분당회전수 / 716.2
마력[HP] = 0.0329 x 200 / 716.2
마력 = 0.00919[HP]
소비량 kw = 마력 * 0.7457 = 0.00685[kw]

참고로 파워 소비량으로 계산된 값은 모터 선정에 이용하지 않습니다.
전기 사용을 얼마만큼 했는지는 모터 선정 단계에선 중요하지 않기때문에 참고만 하면 될듯 합니다.
현재는 웍스 모션 결과와 비교 참고용으로 사용할 예정입니다.

이렇게 계산값이 나왔습니다.
그럼 SolidWorks Motion에선 어떻게 결과가 나오는지 볼까요?

SolidWokrs Motion Simulation 

해석을 위한 모델링과 셋팅작업 

파트에서 외경 100, 길이 100인 파일을 생성하고, 재질(S45C)을 적용하면 무게는 6.16kg이 나옵니다.
이를 중심축 회전이  가능한 어셈블리 파일을 생성합니다.

어셈블리 스케치에서 회전축을  작성, 파트와 동심조건을 부여
원통의 아랫면을 어셈블리의 평면과 일치 이렇게 2가지 메이트 조건을 부여

Motion Simulation 에서 회전 모터 생성 후 모터 설정에 가속시간과 회전수 정보를 입력합니다.

가속시간 0.5초 200rpm에 대한 정보를 입력합니다.

웍스 파일을 받고싶은 분은 아래 링크에서 다운받으시길 바랍니다.
SolidWorks 2022버전에서 작성된 파일입니다.

Motion Simulation 검증 참고용.zip

0.17MB

해석 작업 후 결과 플롯을 봅니다.
단위는 현재 설정된 옵션값에 따라 다르게 나오니 유의하셔야합니다.

관성 하중은  [기타수량 - 반영 하중 관성 - 모터]를 선택하면 나옵니다.

해석 관성하중 결과값이 7822[kg.mm^2]입니다.
단위변환 하면 0.0078[kg.m^2]입니다.
앞서 수기 계산값이 0.0077[kg.m^2]이였으니 0.0001 차이를 보이네요.

토크는 [하중 - 모터크기 - 크기 - 모터]를 선택하면 나옵니다.

다음 토크의 결과값은 32.918[kg.f-mm]입니다.
단위변환 하면 0.0329[kg.f-m]입니다.
앞서 수기 계산값이 0.0329[kg.f-m]이였으니 같은 결과를 보이네요.

파워 소비량은 [모멘텀/에너지/파워 - 파워 소비량 - 모터]를 선택하면 나옵니다.

마지막으로 파워 소비량의 결과값은 0.00649[kw]입니다.
앞서 수기 계산값이 0.00685[kw]였습니다. 0.00036 차이를 보이는데 이는 무시할수 있을정도의 차이 입니다.

결과값의 그래프로 정확한 값을 보기 어려울때는 플롯이 표시된 후 결과를 마우스 우클릭 하시면 "스프레드 시트로 내보내기"가 있습니다. 내보내기 한 후 데이터의 최대값을 보시면 됩니다.

계산으로 나온 결과값과 시뮬레이션으로 나온 결과값에 큰 차이가 없어보입니다.
웍스의 해석을 어느정도 신뢰할수 있다는 알게 되었습니다.

웍스 해석 또한 작업자의 해석 방법에 따라 결과가 전혀 다르게 나올수 있기 때문에 여러 케이스를 많이 다뤄봐야 어떤 방식으로 해석해야 더 정확하게 나오는지 알게되는것 같습니다. 

다음글에서 웍스 모션을 이용해 어떤방식으로 모터를 선정하는지 알아보겠습니다.

SolidWorks Motion Simulation 모터 용량 계산 가이드 2/2