정밀유성치차 감속기 올바른 선택법 길라잡이

정밀유성치차 감속기 올바른 선택법 길라잡이


-LS ELECTRIC 일반형 헬리컬 타입 MSS 시리즈 감속기

LS ELECTRIC은 고객들에게 패키지 라인의 토탈서비스를 제공하고자 최근 다양한 제품들을 사업아이템으로 확보하여 제공하고 있다. 이 중 대표적인 것이 감속기다. 이번 달 출시된 헬리컬타입 MSS시리즈 감속기는 기존제품보다 뛰어난 정숙성과 높은 가성비를 갖췄다. 서보드라이브/모터와 함께 최적화된 모션솔루션을 제공하며, TCO(총 소유비용)를 획기적으로 절감했다.
뿐만 아니라 다양한 브랜드의 모터를 사용하고 있는 기업들이 전문가와 상담을 거치지 않고 쉽고 빠르게 감속기 제품을 선정할 수 있도록 ‘Size Manager’ 페이지(www.lselectric.co.kr/gearbox)도 구축해 고객편의 를 한층 높였다. 이번 기고를 통해 고객들이 감속기를 사용하는 목적과 선택 시 유의점 등을 안내하고자 한다.  (글_ LS ELECTRIC 자동화마케팅팀)

1. 감속기를 사용하는 이유
감속기를 사용하면 감속비에 비례하여 속도를 힘(토크)으로 변환한다는 것은 이미 많은 분들이 알고 있는 사실이다. 하지만 이런 장점 외에도 감속기를 사용하면 제어 안정성 역시 높일 수 있다. 구동에 필요한 토크는 부하의 관성모멘트J와 가속(감속)의 곱으로 정의된다. 감속기를 사용할 경우 제어안정성이 높아지는 이유는 관성모멘트J가 감속비의 제곱에 반비례하여 축소되기 때문이다.

T = J * α  = J *dω/dt
(α: 각가속도, ω: 각속도, T: 토크)
J_R = J_L/N²
 (J_R: 모터측 이너시어(관성), J_L: 부하측 이너시어(관성), N: 기어비)

예를 들어 관성이‘100’인 시스템을 10:1 기어를 사용하면, 모터 관성은 10²배(100배) 축소된 ‘1’이 된다. 모터 관성 대비 부하 관성 비율은 서보 튜닝 시 매우 중요한 요소다. 감속기를 사용해 두 관성의 비율값을 낮출수록 서보제어 응답성은 향상되고, 안정적인 제어를 할 수 있다. 일부 제조사는 이 관성비율 허용치를 허용관성비율이나 유사한 표현으로 표기하는 경우도 있으나 통상 10~20배 이내다.
유럽이나 북미의 서보모터는 일본산 대비 고속의 저토크 특성을 보이는 경우가 많다. 이는 서보모터에 감속기를 사용해 장비의 동작과 안정적 성능확보를 꾀하는 것이 일반적이기 때문이다. 유의할 점은 감속기 자체도 이너시어(관성)가 존재한다는 점이다. 때문에 서보모터와의 관성비율은 부하 관성과 감속기 관성을 합한 값으로 고려한다. 이와 같은 서보모터와 감속기의 관성 모멘텀은 제조사 카달로그나 매뉴얼을 통해 확인가능하다.

J_T = J_L/N²+ J_G
관성비율 = J_T  / J_M
(J_T: 관성모멘텀 총합, J_L: 부하 관성모멘텀, J_G: 기어 관성모멘텀, J_M: 모터관성모멘텀)

정리하자면, 감속기를 사용하면 속도를 토크로 보상해 사용하는 것 외에도, 부하 관성비율을크게 줄일 수 있어 보다 안정적인 서보모터 제어에 유리하다.


2. 감속기 선택 및 유의점
1)어떤 기어방식을 사용할 것인가?
감속기를 선택함에 있어 적용할 기어방식을 선택하는 것은 중요한 문제다. 유성치차방식 감속기는 크게 스퍼(Spur)와 헬리컬(Helical) 두 가지 기어타입을 적용하고 있는데, 기어타입에 따른 각각의 특징은 왼쪽 표와 같이 구분할 수 있다.
기어 2개를 맞물렸을 때 만나는 피치점의 물림율은 헬리컬기어 이빨의 기울어짐 각도(θ)Secantθ에 비례하므로, 헬리컬기어 적용 시 스퍼기어보다 많은 물림율로 인해 진동, 백래시, 토크 면에서 물리적으로 유리해진다. 반면 더 많은 접점이 발생하므로 스퍼기어 대비 마모가 빨라 백래시의 변동이 발생할 수 있다.
이런 특징 때문에 헬리컬기어는 열처리 대책과 기울어짐 각도로 기어가 앞이나 뒤로 밀거나 빠져나오려는 추력에 대한 설계관리가 필요하다.  LS ELECTRIC  헬리컬기어 감속기는 독자적인 열처리, 엄격한 설계 및 공차관리로 헬리컬기어의 물리적 단점을 보완한 최적화 솔루션을 제공한다.

2)어떤 감속비를 사용할 것인가?
감속기를 적용할 때 ‘감속’이 강조된 명칭으로 인해 종종 선정에 혼동이 발생하는 경우가 있다. 서보의 정격속도가 3,000RPM, 정격토크가 1Nm인 경우를 예로 들어보자.
감속기를 통해 출력되는 속도가 30RPM, 출력되는 토크는 10Nm가 필요한 경우, 속도만 고려해 1/100 감속기를 선정하는 경우를 종종 볼 수 있다. 그런데 서보는 저속에서도 토크 변동 없이 속도제어가 가능하므로 이러한 환경에서는 1/100까지의 감속기 선정은 불필요 할 수 있다. 즉, 과한 감속비율 선택은 감속기 파손을 야기할 우려가 있는 것이다.
기구부에서 요구되는 회전수와 서보의 정격 회전수를 비교했을 때, 사용하지 않고 남아도는 서보의 회전속도를 에너지 보존법칙에 따라 토크로 변환해주는 기구물이 감속기라 이해할 수 있다.
 
3)어떤 크기의 감속기를 적용할 것인가?
감속기는 직선과 직각타입으로 구분된다. 효율적인 공간 사용을 위해 직각형태 감속기를 사용하는 경우가 더 많다. 직각감속기는 90도로 꺾인 부분에서 베벨기어가 1/2 감속비율을 발생시키므로, 1단 감속기는 최대1/20, 2단 감속기는 최대 1/200까지 제작 가능하다.
직각타입이냐 직선타입이냐 뿐 아니라, 어떤 크기의 감속기를 적용하느냐도 중요하다.  200W/400W모터와 취부되는 1단 감속기는 60각을 사용하는 것이 일반적인데, 2단감속기를 선정할 때에는 혼동이 발생하기 쉽다.
2단 감속기의 경우 일반적으로 한 각수 큰 사이즈를 선택하는 것이 안전하지만, 적용환경이 제각각이므로 일률적 규칙을 적용해 감속기를 선정하는 것이 어려울 수 있다.
이러한 고객들의 혼동을 해소하고자 LSELECTRIC은 ‘Gearbox Size Manager’ 툴을 개발해 제공하고 있다. 주소창에 ‘www.lselectric.co.kr/gearbox’로 접속하면 모터에 취부되는 감속기 크기를 고객이 손쉽게 선정할 수 있고, 이에 대한 2D·3D 도면도 해당 페이지에서 바로 다운 가능하다.


3. LS ELECTRIC 감속기 주요특징
1) 라인업
LSELECTRIC 감속기는 기종에 무관하게 다양한 서보모터 취부가 가능하다. 기어타입에 따라 헬리컬기어(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 헬리컬기어와 높은 백래시 정밀도 (A등급_3~5분), 고급스러운 외장의 무전해 니켈도금을 바탕으로 중/고가 감속기 시장이 타깃이다. M series, S series는 동일한 백래시 정밀도 (S등급_7~9분), 심플한 액상분체 도장 및 높은 가성비를 바탕으로 전반적인 중/저가 감속기 시장을 공략한 제품이다.

2) 사이즈매니저
고객의 감속기 선정 편의를 위해 제공하는 웹 기반 반응형(PC, 모바일환경에 맞는) 툴은 심플한 구성으로 높은 직관성, 사용편리성에 중점을 뒀다. 국내외 다수 주요브랜드 서보모터 제품규격이 등록된 광범위한 데이터베이스를 바탕으로, 고객 요구사항에 맞는 감속기 선정이 가능하다.
서보모터의 정격/최대토크에 감속비를 곱한 값이 감속기의 정격/최대허용토크를 초과하지 않는 범위 내 가장 적합한 감속기를 선정하며, 최종 선정된 감속기에 대한 도면 다운로드는 물론 해당 페이지 프린트, 다운로드, URL 링크까지 저장할 수 있다.


4. 시장전망
국내 정밀유성감속기 시장은 매년 가파른 성장세를 보이며 2020년엔 약 700억 원 규모로 성장이 예상된다. 대만 업체가 시장의 과반 이상을 차지하고, 나머지 시장을 일본, 독일, 한국 제품들이 나누어 가진 상황이다.
감속기는 제품 특성상 단납기나 맞춤형 주문으로 이뤄지는 경우가 많다. 해외업체 의존도가 높은 국내에서는 코로나19와 같은 글로벌이슈가 발생했을 때, 제품수급에 어려움을 겪는 기업들이 속출하기도 했다. 대일 무역 분쟁이나 펜데믹과 같은 외부 리스크가 늘어남에 따라 기업들도 공급처를 국내외로 다각화 시킬 필요가 있다.
또한, 국내 감속기 업체는 서보를 보유하고 있지 않고, 서보업체는 감속기를 보유하고 있지 않아 고객입장에서는 여러 공급업체의 문을 두드려야 하는 불편이 있었다. LS ELECTRIC은 PLC, LV Drive, HMI 같은 자동화기기 선두주자임은 물론이고, 기존 보유한 서보 라인업에 감속기제품을 추가함으로써 고객에 통합솔루션을 제공할 수 있다.
LS ELECTRIC은 국내에서 개발하고 생산한 신제품 ‘M시리즈’ 출시로 빠른 납기와 우수한 품질력을 확보했으며, 포장기계, 공작기계, 2차전지, 반도체디스플레이 시장진입에 박차를 가하고 있다. 이런 공격적인 행보를 통해 국내 감속기 시장이 대만 리드형에서 국산화로 전환되는 시점을 맞이하길 기대해본다.