고정자와 회전자로 구성된 모터는 구조나 질량 분포가 고르지 않으면 내부 로터 불균형문제가 발생한다. 이러한 과정은 진동과 응력을 유발하고 전반적인 생산성 저하를 일으키는 만큼, 즉각적인 대응으로 상황을 개선할 필요가 있다. 포르테스캡은 로터 불균형 유형과 밸런싱을 갖추는 방안을 제시한다.
포르테스캡 마이크로모터 / 사진. 포르테스캡
문제 파악과 상황 진단 필요
모터는 고정자와 회전자라는 하위 어셈블리가 존재한다. 이 구성은 기계 가공, 단조, 드로잉, 스탬핑, 소결, 성형, 주조 등 다양한 기계 기술을 사용해 만들어지며 각 방법은 크기, 모양, 공정 한계 요소를 기반으로 특정 공차가 부여된다. 그러나 요소를 조립하면 허용 오차가 추가돼 모터 구조와 질량 분포가 고르지 않는 문제가 생기고 이러한 비대칭은 편심 회전을 유발해 로터 불균형 문제를 초래한다. 또 불균형은 추가 원심력을 생성해 로터와 지지대에 진동과 응력을 유발하는 악영향을 초래한다.
로터 불균형 종류
로터 불균형은 세 가지 유형이 있다. 먼저 정적 불균형(Static unbalance)은 로터 주 관성 축이 샤프트 회전축에서 오프셋되고 평행한 상태를 의미한다. 이는 주로 디스크 자석 로터와 같이 질량이 중심면 근처에 집중되는 회전 부품에서 발생한다. 이 불균형은 중심 위치를 찾아 질량을 제거하거나 불균형 질량과 반대 방향으로 동일한 질량을 배치해 해결할 수 있다.
다음으로 결합 불균형(Coupled Unbalance, 커플 불균형)은 로터 주 관성 축이 무게 중심에서 샤프트 회전축과 교차하는 상태로, 동일한 질량이 반대쪽 끝에서 로터에 180° 위치하는 상황을 말한다. 이 불균형은 기 결합된 질량 반대편에 다른 질량을 배치해 수정할 수 있다.
정적 불균형(上), 결합 불균형(中), 동적 불균형(下) / 사진. 포르테스캡
마지막으로 동적 불균형(Dynamic Unbalance)은 주 관성축이 샤프트 회전축과 평행하거나 교차하지 않는 상태를 말한다. 정적 불균형과 결합 불균형 간 벡터 합계이며 모터에서 가장 발견할 수 있는 불균형이다. 동적 불균형을 보정하려면 샤프트 중심에 수직인 보정 평면이 두 개 이상 필요하다.
로터 밸런싱 과정
로터 밸런싱은 질량 분포를 개선하는 과정이다. 규정된 위치에서 밸런싱 질량을 추가하는 방식으로 이뤄지며 대부분 로터 모터는 이 과정으로 균형을 맞출 수 있다. 밸런싱 질량을 추가할 때는 로터가 고속으로 회전할 때 떨어지지 않도록 단단히 고정해야 한다. 방법은 로터에서 재료를 일부 제거하는 방식도 있다. 이는 대부분 BLDC 내부 로터 모터에 사용되며, 로터 끝에 부착된 밸런싱 링에 구멍을 뚫어 재료를 제거해 균형을 맞춘다.
로터는 단일 평면, 두 평면 또는 다중 평면 밸런싱 방법을 사용해 조정할 수 있다. 밸런싱 방법 선택은 불균형 유형과 로터 유형에 따라 달라진다. 단일 평면 밸런싱은 로터 밸런스를 조정하는 가장 기본적인 절차로, 주로 정적 불균형이 나타난 얇은 로터에 이상적이다. 길이 대 지름 비율이 큰 로터는 동적으로 두 개 또는 다중 평면 밸런싱 과정을 거치면 된다.
방사상 불균형은 질량과 반지름 간 곱이다. 모터 성능을 보장하기 위해 이 불균형 크기는 허용치보다 낮아야 한다. 모션 솔루션 산업에서 일반적으로 사용되는 밸런싱 표준은 ISO 표준 1940이다. 일반적으로 소형 모터는 G2.5 밸런스 품질 등급이 적용된다.
한편, 로터가 안정적으로 균형을 이룬다면 ▲진동 감소 ▲안정적인 출력 ▲베어링 수명 향상 ▲기계적 응력 감소 ▲전체 소음 감소 ▲신뢰성 향상 등을 거둘 수 있다.
결론
로터 밸런싱은 전기 모터가 원활하고 효율적인 작동을 보장하는 데 중요한 프로세스이다. 꼼꼼한 밸런싱 기술을 통해 다양한 로터 불균형을 해결함으로써 진동, 기계적 응력 및 소음을 크게 줄이는 동시에 모터 안정성, 베어링 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 적절한 로터 밸런싱은 고속 모터의 기능을 최적화할 뿐만 아니라 잠재적인 고장으로부터 보호할 수 있다.
