올인원 모터 ‘PKA 시리즈’와 ‘BLA 시리즈’

올인원(All-In-One) 제품은 모터와 회로가 통합된 제품으로, 유럽과 미국에서 많은 인기를 얻은 제품이다. 오리엔탈모터는 모터와 드라이버의 모든 기능을 하나로 합쳐진 제품을 개발했다. 5상 스텝핑 모터 ‘PKA 시리즈’와 AC 입력 BLDC 모터 ‘BLA 시리즈’가 그 예라 할 수 있다. 여기에서는 개발 배경과 모터와 드라이버를 결합 시 열에 대한 대책 그리고 각 제품의 특징을 소개한다.

모터와 회로가 일체가 된 제품을 ‘올인원 모터(ALL IN ONE MOTOR)’라고 한다. 일본에서는 아직 대중적이지 않지만, 서구에서는 오래전부터 사용됐다.
오리엔탈모터는 클루즈루프제어 시스템을 채용한 일체화된 스텝핑 모터를 판매하고 있지만, 이번에는 5상 스텝핑 모터 장치를 일체화한 ‘PKA 시리즈’와 모터의 후면에서 모든 조작이 가능한 BLDC 모터 ‘BLA시리즈’를 개발했다(그림 1).



방열방법을 개선함으로써 회로가 분리된 타입과 동등한 토크 특성을 실현하고 있다. 반대로 모터와 회로를 일체화함으로써 채용할 수 있는 기술과 회로를 콤팩트하게 하기 위해 진행 한 제어부의 디지털화(소프트웨어화)는 제품의 기능을 향상시키게 했다. 또한, 회로 일체형 모터를 사용하는 방법에 대해 검토하고 설치와 배선뿐만 아니라 전체적으로 사용하기 편리해졌다.
여기에서는 올인원 모터의 장점, 올인원 모터화하기 위한 기술 그리고 각 제품의 특징을 소개한다.

개발 배경

동력용 모터가 주력이었던 시대에는 많은 모터는 원통형의 1개의 모양을 하고 있었다.
오늘날에는 속도와 위치 등 복잡한 제어가 요구되는 구동이 많아 모터, 드라이버, 컨트롤러라는 회로조합으로 된 제품, 즉 둘, 혹은 그 이상으로 나누어진 제품이 인기를 끌고 있다.
장치를 연결할 때, 모터를 구동부에 드라이버와 컨트롤러를 제어반 내에 각각 설치하고, 설명서를 보면서 그들 사이의 배선하는 것이 당연하다는 듯이 이루어 왔다. 그러나 다시 모터를 ‘물건의 속도와 위치를 제어하는 장치’로 보고, 쓰는 사람의 입장에서 이상적인 형태를 규명해 보면, 장치 하나로서 ‘움직이고 싶은 곳에 1개의 가능한 작은 장치를 설치, 전원과 지령을 주면 원하는 운동을 한다’는 모습이 떠오른다(그림 2).



모터와 드라이버, 컨트롤러를 일체화했으면 설치 한 번으로 끝, 그들 사이의 배선이 필요 없다. 또한, 장치가 콤팩트하게 되어, 오배선으로 인한 고장, 케이블에 노이즈의 방사 및 외부 노이즈에 의한 오동작 등 여러 가지 문제가 사라지게 된다. 그뿐만 아니라 모터 정보를 회로가 더 상세하게 알 수 있기 때문에 성능과 기능을 향상시킬 수 있다.
최근 전자기술의 진보에 의해 회로가 콤팩트하게 되어, 파워 소자의 발열도 적어지고 있다. 시리얼 통신이나 보급해 온 산업용 네트워크를 사용하면 회로의 동작을 원격에서 PLC나 PC로 할 수 있기 때문에 드라이버 및 컨트롤러와 같은 다른 형의 회로를 제어반 내에 설치할 필요가 없다.
모터와 회로를 일체화한 것만으로도 올인원 모터이지만 우리는 단순히 통합하는 것이 아니라 일체형만의 장점을 살려, 이상적인 모습을 실현하고 제어용 모터를 다시 정의하기 위해 첫 단계로 다른 특징을 가진 2종류의 올인원 모터를 개발했다.

올인원 모터 장점

모터와 드라이버, 컨트롤러를 일체화하는 것으로 다양한 메리트가 생긴다.

① 공간 : 드라이버와 컨트롤러가 모터 부의 콤팩트에 내장되어 있기 때문에 드라이버와 컨트롤러를 제어반에 설치할 필요가 없고, 장치의 공간 절약화에 공헌한다.
② 배선 : 모터와 드라이버 간 및 드라이버와 컨트롤러 사이의 케이블이 필요 없기 때문에 그 케이블의 배선이나 연결 등의 작업이 필요 없다(그림 3). 또한, 오배선 또는 드라이버와 모터의 조합 차이에 의한 결함이나 고장이 일어날 염려가 없다. 그뿐만 아니라 모터 동력선의 고전압 부가 노출되는 걱정도 해결된다. 이러한 것들은 다수의 축을 사용할 때 큰 장점이 된다.



③ 방사 소음 감소 : 모터와 드라이버의 연결 동력선이 없으므로 케이블에서 방사성 노이즈가 발생하지 않는다(그림 4). 또한, 다른 기기가 오작동할 가능성이 줄어든다.



④ 노이즈 향상 : 컨트롤러와 드라이버의 연결 배선이나 드라이버와 모터의 연결 피드백 배선 등 신호선의 배선이 없어 외부 노이즈에 의한 제품 고장의 위험을 줄일 수 있다.
⑤ 성능과 기능의 향상 : 모터와 회로를 일체화하는 것으로, 성능과 기능을 향상시킬 수 있는 경우가 있다. 예를 들어, 노이즈 내성이 향상되는 것을 이용하여 BLA 시리즈는 아날로그 전압 출력의 새로운 센서를 채용해, 기존보다 저속에서도 안정적으로 구동할 수 있게 되었다.

올인원 모터에 필요한 요소와 기술

분리형 제품에 대해 모터와 드라이버를 일체화하는 경우 두 가지 기술 과제가 있다. 첫째는 열 대책, 둘째는 소형화이다.
여기에서는 열 대책을 중심으로 이러한 과제를 해결할 수 있는 기술에 관해 소개한다.

1. 열 대책에 대해
마이크로컴퓨터 등의 전자 부품은 주위 온도가 85 로 규정된 것이 많고, 주위가 고온이 되지 않도록 해야 한다. 성능 저하 없이 모터와 드라이버가 일체화하려면 열 문제가 해결되어야 한다.
한편, 모터 구동용 전력 부품은 드라이버 내부가 가장 발열원이 되며 소자 패키지의 표면 온도는 100 가까이 된다.
온도 상승을 억제하는 방법으로는 발열을 억제하는 것이 가장 효과가 있다. 먼저 제어 전원부의 소비 전류를 감소시켰다. 발열 원인 파워 소자에 대해서도 손실을 줄이기 위해 저항이 작은 부품을 선정하고 있다
. 또한, PWM 방식으로 인버터 부 제어를 하는 경우, 파워 소자의 ON/OFF를 빨리하면 손실이 줄어든다. 그러나 게이트의 상승 속도가 빨라질수록 소음이 커지고 EMC 지침을 준수할 수 없기 때문에 분리형으로 바뀌게 된다.
올인원 모터는 모터와 드라이버 사이의 케이블이 없기 때문에 임피던스 등에 의한 파형의 지연이 없어 손실을 줄일 수 있다.
또한, 노이즈를 신경 쓰지 않아도 되기 때문에 기존보다 전력 소자의 ON/OFF를 빨리할 수 있고 파워 소자의 발열을 억제할 수 있다.
그러나 이러한 대책만으로는 충분한 효과를 얻을 수 없으므로 발열원(고온 부)과 열에 약한 부품(저온 부)을 분리하는 것에 주목하고 설계를 검토했다(그 림 6).





PKA 시리즈, BLA 시리즈 제품 모두 드라이버 측의 발열 원인 파워 소자를 모터 측에 배치하고 모터에 열 방출을 도모시켰다. 고온 부에서 저온 부분에 열의 이동을 막기 위해 다음의 세 가지 요소에 대한 대책이 필요하다.
① 전도 : 고체의 내부에서 열이 고온 부분에서 저온 부분에 순차적으로 전해지는 현상이다.
② 대류 : 기체나 액체의 온도가 높은 부분은 상승하고 온도가 낮은 부분은 하강하여 공간적으로 순환 흐름이 생기는데, 이에 따른 공간의 열이 이동하는 현상을 말한다.
③ 복사 : 뜨거운 표면에서 저온의 표면에 직접 전자파의 형태로 전해지는 현상이다.

1) 열전도의 대책과 그 결과
PKA 시리즈, BLA 시리즈는 드라이버 케이스를 플라스틱 케이스로 만들었다. 금속(알루미늄)과 플라스틱 재료(PBT)는 플라스틱 쪽이 열전도율이 낮아, 모터 측의 열이 드라이버 측에 전해지기 어렵게 된다(표 1).



드라이버 케이스를 금속으로(알루미늄) 한 경우와 플라스틱 재료로(PBT) 한 경우 각각의 정격 토크를 걸고 정격 회전 속도로 동작시켰을 때의 내부 온도 3곳(그림 7)을 측정했다. 그 결과 플라스틱 케이스로 한 경우, 드라이버 부의 온도 상승을 전체적으로 낮추어 주었다(표 2).





2) 열 대류에 대한 대책
BLA 시리즈는 보드를 벽으로, 대류에 의한 열 이동을 방지하는 구조로 되어 있다(그림 8).





3) 열 대책 요약
전도, 대류, 복사에 대해 위의 구조를 취하는 것으로 고온 부와 저온 부를 열적으로 분리할 수 있었다.
BLA 시리즈(BLA 550AB-A)를 서모그래피에서 확인하면 그림 10과 같이 모터 부보다 드라이버 측의 온도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한, 만일 과열로 인한 이상이 있는 경우를 가정하고 각 제품 모두 과열 보호 기능을 탑재하고 있다.
이러한 열대 책은 파워 소자에 분리형 제품과 동일한 전류를 흘려도 열에 약한 부품에 영향을 주지 않고 각 제품 모두 기존의 분리형 제품과 동등한 성능을 실현하고 있다.

2. 드라이버의 소형화
하드웨어적으로는 아날로그 제어, 소프트웨어적으로는 디지털 제어를 도입해 기능을 MCU에 통합, 부품 수를 최소화하고 소형 부품을 채용하여 소형화를 실현할 수 있었다.

올인원 모터 제품 소개

1. PKA 시리즈
PKA 시리즈는 5상 스텝핑 모터 및 드라이버와 컨트롤러를 일체화한 제품으로 소형/저진동 모터이다. 저비용화를 실현하고 시리얼 통신에도 대응하고 있기 때문에 기기 조립 용도에 최적인 모터이다.
1) 제어 방법
위치 결정 기능을 내장하고 있기 때문에 PC나 PLC와 직결된 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 펄스 발진기가 불필요하므로 공간과 시스템의 단순화를 실현한다.
PKA 시리즈는 3종류의 제어 방법에 대응하고 있다. ‘I / O 제어’,‘Modbus 제어’,‘네트워크 컨버터를 통한 CC-Link 제어와 메카트로링크 제어’에 접속할 수 있다.
2) 장치 전체를 의식한 소형화
단순히 드라이버만의 소형화를 추구하는 것이 아니라, 장치 전체의 소형화·배선화에 공헌할 수 있게 했다. 예를 들어, 드라이버 부에 RS-485 통신 커넥터를 두 가지를 구현했다.

2. BLA 시리즈
1) 간단하게 사용할 수 있는 BLDC 모터
BLA 시리즈의 컨셉은 ‘AC 전원에 연결하면 바로 사용할 수 있는 간단 결선/배선의 올인원 BLDC 모터’이다. AC 전원을 투입, 속도 데이터를 입력, 표시 패널의 RUN 키를 누르는 것만으로 모터를 운전할 수 있다.
또한, 입력 신호를 연결해두면 외부에서 원격 조작과 AC 전원의 ON/OFF로 모터를 제어할 수 있다.
2) 새로운 센서 채용
BLA 시리즈는 기존의 분리형과 달리 새로운 아날로그 신호 출력 센서를 채용하고 있다. 아날로그 신호를 사용하면 모터 위치 검출의 분해능이 향상되지만, 분리형 제품은 케이블의 연장 등으로 노이즈의 영향을 받기 때문에 채용하지 않았다.
올인원 모터는 소음의 영향을 걱정하지 않고, 아날로그 신호를 사용할 수 있다. 새로운 센서는 저속 영역에서의 속도 변화가 줄어들고 60r/min까지 저속의 속도 범위를 확장할 수 있다. 또한, 최고 속도 2400r/min으로 오리엔탈모터의 BLU 시리즈와 비교 시 속도비가 올라갔다(표 5).





그뿐만 아니라 드라이버 내부에 EMC 필터를 내장했으므로 외부 AC 라인 필터 없이 EMC 지침을 준수하고 있다. 따라서 주변 부품을 추가하지 않고 BLA 시리즈 단독으로 사용할 수 있다.
3) 뒷면 패널의 모니터, 데이터 설정
뒷면의 표시 패널에 속도, 부하율 알람 코드 알람 이력을 확인할 수 있다. 기어 출력축과 컨베이어 속도를 확인해 볼 수도 있다. 뒷면 패널에서 회전 속도와 가속, 감속 시간을 디지털로 설정이 가능하다. 속도 설정은 모터가 회전하는 동안에도 가능(티칭 기능)하므로 실제 기계에 맞춰 속도를 결정하는 데 유용하다.
4) BLA 시리즈 라인업
단상 100~120V와 단상 200~240V 입력에 대응하고, 출력은 50W(정격 속도 2000r/min 정격 토크 0.25N·m)이다. 둥근 샤프트 타입 모터뿐만 아니라 기어 헤드 타입도 라인업하고 있다.

요약

제어용 모터의 바람직한 모습을 고민하다가 그 하나의 결과로 개발한 2종류의 올인원 모터의 특징을 소개했다.
올인원 모터는 ‘공간’,‘배선’,‘노이즈 내성’이라는 특징이 있다. 기존의 분리형과 동등 이상의 토크 특성을 실현하기 위해 발열 억제와 열전달의 세 가지 요소에 대해 각각에 대한 대책을 실시했고, 부품을 디지털화하여 제품의 소형화도 실현했다.

인아오리엔탈모터 기술지원그룹