SolidWorks Motion Simulation 모터 용량 계산 가이드 2/2

SolidWorks Motion Simulation 모터 용량 계산 가이드 1/2

지난 글에서는 솔리드웍스(SolidWorks)의 모션 해석 결과가 실제 계산값과 비교했을 때 얼마나 신뢰할 수 있는지 확인해 봤습니다.

이번에는 이 모션 해석 데이터를 활용하여 실제 설계에 필요한 모터를 선정하는 방법에 대해 이야기해 보겠습니다.
(모션 해석은 SolidWorks Premium 등급 이상에서 실행 가능합니다.)

회전운동을 직선운동으로 변환하는 시스템의 모터 선정

예제로 선정한 시스템은 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 구조입니다.
이러한 구동 방식은 손으로 계산하기에는 변수가 많고 까다롭기 때문에, 모션 해석을 활용하기에 아주 적합한 예제입니다.

영상에 보이는 부품 중 상당 부분은 보안상 숨김 처리하였으며, 구동 방식에 대한 핵심 부분만 표현했습니다.
아래축에 연결된 풀리가 모터에 의해 회전하면, 편심 블럭이 회전하며 양측의 LM 가이드가 직선 왕복 운동을 하는 구조입니다.

구체적인 모션 해석 설정 방법은 생략하고, 해석이 완료되었다고 가정한 상태에서 결과를 토대로 모터를 선정하는 과정에 집중하겠습니다.

1. 해석 결과 데이터 확인 (토크)

초보자가 가장 많이 하는 실수 중 하나가 모션 해석 결과의 소비 전력(Power Consumption) 그래프만 보고 모터를 선정하는 것입니다. 이는 모터가 전기를 얼마나 쓰는지를 나타내는 것이지, 모터가 낼 수 있는 기계적인 힘(출력)과 일치하지 않을 수 있음을 명심하시길 바랍니다.

지난번 해석에서는 토크, 관성 하중, 파워 소비량을 모두 비교해 봤지만, 모터 용량 선정에 가장 직접적으로 필요한 값은 바로 토크(Torque) 입니다.

해당 구동부의 모션 해석 결과, 아래와 같은 토크 값이 도출되었습니다.

결과 값을 보면 최대 부하 시 약 1332 [kg.f-mm]가 필요합니다. 단위를 환산하면 약 1.332 [kg.f-m]가 됩니다.

2. 안전율(Service Factor) 적용

이제 이 값을 기준으로 감속기를 사용할지, 어떤 용량의 모터를 쓸지 결정해야 합니다. 이때 고려해야 할 것이 바로 서비스 팩터(Service Factor, 안전율) 입니다.

서비스 팩터는 장비가 하루에 몇 시간 구동되는지, 충격 부하가 큰 작업인지 등에 따라 모터 용량에 여유를 주는 계수입니다. 또한 모터와 구동부가 직결인지, 혹은 체인이나 벨트로 연결되는지에 따라서도 적용 값이 달라집니다. 보통 1.25배에서 2배 정도의 여유를 줍니다.

이번 설계에서는 안전하게 2배(x2) 의 서비스 팩터를 적용하겠습니다.

• 필요 토크: 1.332 kg.f-m
• 안전율 적용: 1.332 x 2 = 2.664 kg.f-m

즉, 최소 약 2.66 kg.f-m 이상의 토크를 낼 수 있는 구동 시스템이 필요합니다.

3. 모터 및 감속기 선정

일반적인 4극(4Pole) 모터 기준인 1750~1800 RPM 대역에서 적절한 모터를 찾아봅니다.

예를 들어 1.5kW 모터를 선정했을 때, 감속기 없이 낼 수 있는 정격 토크를 확인해 봅니다. 모터 제조사의 카탈로그를 보는 것이 가장 정확하지만, 간단한 공식으로도 계산해 볼 수 있습니다.

[모터 토크 간편 계산 공식] 토크(kgf.m) = 974 x 동력(kW) / 회전수(RPM)

이 공식에 대입해 보면 (1.5kW, 1750RPM 기준), 이론상 약 0.83 kgf.m가 나옵니다. 실제 모터 효율 등을 감안한 시중 제품의 사양을 보면 약 0.754 kgf.m 정도의 토크를 가집니다.

계산이 번거로우신 분들은 아래 엑셀 파일을 이용하셔도 됩니다.

엑셀의 노란색 셀은 사용자가 입력할 부분이고, 초록색은 계산된 결과값입니다.
수식이 간단하니 다운로드하여 활용해 보세요.
토그 (kgf.m) 값은 효율 등을 감안해 0.9를 곱한값을 사용했습니다.

모터 토크 참고.xlsx

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4. 최종 검토 (감속비 및 속도 확인)

앞서 계산한 필요 토크는 2.66 kg.f-m인데, 1.5kW 모터의 자체 토크는 약 0.75 kgf.m이므로 힘이 부족합니다. 따라서 감속기를 사용하여 토크를 높여야 합니다.

감속비 선정: 4:1 감속기를 사용한다고 가정해 봅시다.

• 모터 토크(0.754) x 감속비(4) = 3.016 kg.f-m

감속기를 사용하니 우리가 목표로 했던 필요 토크(2.66 kg.f-m)보다 높은 3.016 kg.f-m가 확보되므로 힘은 충분합니다.

속도 확인: 힘은 만족했으니 속도가 적절한지 봐야 합니다.

• 모터 회전수(1750 RPM) / 감속비(4) = 437.5 RPM
• 초당 회전수 = 약 7.3회전

이 속도가 장비의 요구 사양을 만족하는지 확인합니다. 제가 설계하려는 장비의 요구 속도보다 빠르므로 이 조건은 합격입니다.

결론적으로 1.5kW 모터에 4:1 감속기를 부착하거나, 조금 더 여유를 두고 싶다면 2.2kW(3마력) 모터를 선정하면 되겠습니다.

마무리

마지막으로, 선정된 모터의 허용 관성 모멘트(Inertia)가 해석상의 관성 하중보다 큰지도 확인해 주는 것이 좋습니다. 관성값이 너무 크면 모터가 제어가 안 되거나 정지 시 밀림 현상이 발생할 수 있기 때문입니다.

아래는 참고용으로 확인한 해석상의 관성 하중과 파워 소비량 그래프입니다.

이처럼 솔리드웍스의 모션 해석 기능을 활용하면 막연한 감이나 복잡한 수기 계산 대신, 데이터에 근거하여 합리적으로 모터를 선정할 수 있습니다.

SolidWorks Motion Simulation 모터 용량 계산 가이드 1/2