정밀 유성치차 감속기 올바른 선택법 길라잡이 - 기고

LS ELECTRIC은 고객들에게 패키지라인의 토탈서비스를 제공하고자 최근 다양한 제품들을 사업아이템으로 확보하여 제공하고 있다. 이 중 대표적인 것이 감속기인데 이번 달 출시된 헬리컬 타입의 MSS 시리즈 감속기는 기존 제품보다도 뛰어난 정숙성과 높은 가성비를 갖췄으며 서보 드라이브/모터와 함께 최정화된 모션 솔루션과 획기적인 TCO(총소유비용) 절감을 제공하고 있다.

뿐만 아니라 다양한 브랜드의 모터를 사용하고 있는 기업들이 전문가와 상담을 거치지 않고도 쉽고 빠르게 감속기 제품을 선정할 수 있도록 Size Manager 페이지 (www.lselectric.co.kr/gearbox)를 구축하여 고객편의 서비스를 제공하고 있다.

그럼, 감속기를 사용하는 목적과 선택 방법시 유의점 등에 대해서 살펴보자.

1. 감속기를 사용하는 이유

감속기를 사용하면 감속비에 비례하여 속도를 힘(토크)으로 변환한다는 것은 이미 많은 사람들이 알고 있는 기정사실이다. 하지만 이런 장점 외에도 감속기를 사용하면 서보 제어의 안정성을 높일 수 있다는 숨은 이점을 가지고 있다.

구동에 필요한 토크가 부하의 관성 모멘트J와 가속(감속)의 곱으로 정의된다. 감속기를 사용할 경우 제어 안정성이 높아지는 이유는 관성 모멘트 J가 감속비의 제곱에 반비례하여 축소되기 때문이다.

T = J * α = J *dω/dt

(α: 각가속도, ω: 각속도, T: 토크)

JR = JL/N2

(JR: 모터측 이너시어(관성),

JL: 부하측 이너시어(관성), N: 기어비)

예를 들어, 관성이 ‘100’인 시스템을, 10:1 기어를 사용하면, 모터 측 관성은 102배(100배) 축소된 ‘1’이 된다.

모터의 관성 대비 부하 관성의 비율은 서보 튜닝시 매우 중요한 요소이다. 감속기를 사용하여 두 관성의 비율 값을 낮출수록 서보 제어의 응답성은 향상되고, 안정적인 제어를 할 수 있다.

일부 제조사의 경우, 이 관성 비율의 허용치를 허용 관성 비율 혹은 유사한 표현으로 표기하는 경우도 있으며, 통상 10~20배 이내이다.

유럽이나 북미의 서보 모터는 일본산 대비 고속의 저토크 특성을 보이는 경우가 많다. 이는 서보 모터에 감속기를 사용하여 장비의 동작과 안정적 성능 확보를 꾀하는 것이 매우 일반적이기 때문이다.

유의할 점은 감속기 자체도 이너시어(관성)가 존재한다는 점이다. 때문에 서보 모터와의 관성 비율은 부하의 관성과 감속기의 관성의 합의 값으로 고려한다.

즉,

JT = JL/N2+ JG

관성비율 = JT / JM

(JT: 관성모멘텀 총합, JL: 부하 관성모멘텀,

JG: 기어 관성모멘텀, JM: 모터 관성모멘텀)

서보 모터와 감속기의 관성모멘텀은 제조사의 카달로그나 매뉴얼을 통해 확인 가능하다.

정리하자면 감속기를 사용하면 속도를 토크로 보상하여 사용하는 것 외에도, 부하 측의 관성 비율을 크게 줄일 수 있어, 보다 안정적인 서보 모터의 제어에 유리하다.

2. 감속기의 선택 및 유의점

1) 어떤 기어방식을 사용할 것인가?

감속기를 선택함에 있어 적용할 기어 방식을 선택하는 것은 상당히 중요하다. 유성치차 방식 감속기는 크게 스퍼(Spur) 타입과 헬리컬(Helical) 타입 기어 두 가지 기어 타입을 적용하고 있는데, 기어 타입에 따른 각각의 특징은 하기 <표1>과 같다.

<표1> 스퍼/헬리컬

기어 두 개를 맞물렸을 때 만나는 피치점의 물림률은 헬리컬 기어 이빨의 기울어짐 각도(θ) Secantθ에 비례하므로, 헬리컬 기어를 적용할 시 스퍼 보다 많은 물림율로 인해 진동, 백래시, 토크면에서 물리적으로 유리해진다. 반면 더 많은 접점이 발생하므로 스퍼 기어 대비 마모가 빨라 백래시의 변동이 발생할 수 있어 이에 대한 열처리 대책과 기울어짐 각도로 인해 기어가 앞이나 뒤로 밀거나 빠져나오려는 추력에 대한 설계 관리가 필요하다. LS ELECTRIC의 헬리컬 기어 감속기는 독자적인 열처리, 설계 및 엄격한 공차관리로 헬리컬 기어의 물리적 단점을 보완한 최적화된 솔루션을 제공한다.

2) 어떤 감속비를 사용할 것인가?

감속기를 적용할 때, ‘감속’이 강조된 명칭으로 인해 종종 선정에 혼동이 발생하는 경우가 있다. 서보의 정격속도가 3000RPM, 정격토크가 1Nm인 경우를 예로 들어 보자. 감속기를 통해 출력되는 속도가 30RPM, 출력되는 토크는10Nm가 필요한 경우, 속도만 고려하여 1/100 감속기를 선정하는 경우를 종종 볼 수 있다. 그런데 서보는 저속에서도 토크의 변동없이 속도 제어가 가능하므로, 이러한 환경에서는 1/100까지의 감속기 선정은 불필요할 수 있다. 즉, 과한 감속비율의 선택은 감속기 파손의 결과를 야기할 수 있다.

기구부에서 요구되는 회전수와 서보의 정격 회전수를 비교했을 때 사용하지 않고 남아도는 서보의 회전속도를 에너지 보존 법칙에 따라 토크로 변환해주는 기구물이 감속기라 이해할 수 있다.

3) 어떤 크기의 감속기를 적용할 것인가?

감속기는 직선과 직각 타입으로 나눌 수 있다. 공간의 효율적인 사용을 위해 직각형태의 감속기를 사용하는 경우가 좀 더 많다. 직각 감속기의 경우 90도로 꺾인 부분에서 베벨기어가 1/2 감속비율을 발생시키므로, 1단 감속기의 경우 최대 1/20, 2단 감속기의 경우 최대 1/200까지 제작 가능하다.

직각타입이냐 직선타입이냐 뿐만 아니라, 어떤 크기의 감속기를 적용하느냐도 매우 중요하다. 200W/400W 모터와 취부되는 1단 감속기의 경우 60각을 사용하는 것이 일반적인데, 2단 감속기를 선정할 때에는 혼동이 발생하기 쉽다. 2단 감속기의 경우 일반적으로 한 각수 큰 사이즈를 선택하는 것이 안전하지만, 적용 환경이 제각각이므로 일률적인 규칙을 적용하여 감속기를 선정하는 것이 어려울 수 있다.

이러한 고객들의 혼동을 해소하고자 LS ELECTRIC은 Gearbox Size Manager 툴을 개발하여 제공하고 있다. www.lselectric.co.kr/gearbox로 접속하면 모터에 취부되는 감속기 크기를 고객이 손쉽게 선정 가능하며 이에 대한 2D, 3D 도면도 해당 페이지에서 바로 다운로드 가능하다.

사이즈 및 입력홀에 따른 고려

3. LS ELECTRIC 감속기 주요 특징

1) 라인업

LS ELECTRIC 감속기는 기종에 무관하게 다양한 서보 모터에 취부가 가능하다. 기어 타입에 따라 헬리컬 기어 (H series, M series), Spur 기어 (S series) 감속기가 있고, Body frame에 따라 직선형, 직각형으로 구분된다.

직선형에서는 3:1~100:1, 직각형에서는 3:1~200:1의 감속비를 제공한다.

H series는 헬리컬 기어와 높은 백래시 정밀도 (A등급_3~5분), 고급스러운 외장의 무전해 니켈도금을 바탕으로 중/고가 감속기 시장을 타켓으로 한다.

M series, S series는 동일한 백래시 정밀도 (S등급_7~9분), 심플한 액상 분체 도장 및 높은 가성비를 바탕으로 전반적인 중/저가 감속기 시장을 공략한다.

S시리즈(Spur 기어) H시리즈(Hellical 기어) M시리즈(Hellical 기어) (표 위 부분)

2) 사이즈 매니저

고객의 감속기 선정 편의성 제공을 위해, 웹기반의 반응형 (PC, 모바일 환경에 맞는) 툴을 제공한다. 심플한 디자인 구성을 통해 툴의 직관성, 사용 편리성에 최대한 중점을 두었다.

국내/외 다수의 주요 브랜드 서보 모터 제품의 규격이 등록된 광범위한 데이터 베이스를 바탕으로, 고객의 요구사항에 맞는 감속기 선정이 가능하다.

서보 모터의 정격/최대토크에 감속비를 곱한 값이 감속기의 정격/최대 허용토크를 초과하지 않는 범위내 가장 적합한 감속기를 선정한다.

최종 선정된 감속기에 대한 도면 다운로드는 물론, 해당 페이지의 프린트 및 다운로드 혹은 URL 링크까지 저장할 수 있는 편리성을 제공한다.

4. 시장전망

국내 정밀 유성 감속기 시장은 매년 가파른 성장세를 보이며 2020년 약 700억 규모로 예상되고 있다. 대만 업체가 시장의 과반수 이상을 차지하고 있고 그 나머지 시장은 일본, 독일, 국내 제품들에 나누어져 있는 상황이다.

감속기는 제품 특성상 단납기나 맞춤형 주문으로 이뤄지는 경우가 많다. 그런데, 국내에서 사용되는 감속기가 해외업체 의존도가 높다 보니 코로나19와 같은 글로벌 이슈가 발생했을 때 제품 수급에 어려움을 겪는 기업들이 속출되기도 하였다. 대일 무역분쟁이나 팬데믹과 같은 외부 영향들이 늘어남에 따라 기업들은 공급처를 국내외로 다각화 시킬 필요성이 높아지게 되었다.

또한, 국내 감속기 업체는 서보를 보유하고 있지 않고, 서보 업체는 감속기를 보유하고 있지 않아 고객 입장에서는 여러 공급 업체의 문을 두드려야 하는 불편이 있었다. LS ELECTRIC은 PLC, LV Drive, HMI 같은 자동화 기기의 선두주자임은 물론이고 기존 보유한 서보 라인업에 감속기 제품을 추가함으로서, 고객에게 한큐에 다양한 통합 솔루션을 제공할 수 있도록 하여 고객 편의성을 높였다.

LS ELECTRIC은 국내 개발, 생산하는 신제품 M시리즈 출시를 통해 빠른 납기와 우수한 품질력을 확보하고 포장기계, 공작기계, 2차전지, 반도체, 디스플레이 시장 진입에 박차를 가하고 있다.

이런 적극적인 공격에 국내 감속기 시장이 대만 리드형에서 국산화로 전환되는 시점을 맞이하길 기대해 본다.