공압모터의 작동원리와 특성(주의사항) + 요동형 액추에이터

 

 

 

3.2 공압 모터

(1) 개요

공압 모터는 압축 공기 에너지를 기계적 회전 에너지로 바꾸는 액추에이터를 말하며 오래전부터 광산, 화학 공장, 선박 등 폭발성 가스가 존재하는 곳에 전동기 대신에 사용되어 왔지만, 최근에는 저속 고토크 모터, 속도 가변 모터 등의 출현으로 방폭이 요구되는 장치 이외에 부품 장착, 장탈 장치, 교반기, 컨베이어, 호이스트 등 일반 산업 기계에도 널리 사용되고 있다.

 

 

 

(2) 종류 및 작동 원리

A. 베인형 모터

구조가 간단하고 무게가 가볍기 때문에 대부분의 공압 모터는 이 방식으로 만들어진다. 작동 원리는 베인 압축기의 반대로써, 케이싱 안쪽으로 베어링이 있고 그 안에 편심 로터가 있으며, 이 로터에 가공된 슬롯에 3~10개의 베인이 삽입되어 있다. 베인이 회전하게 되면 원심력에 의해 케이싱 내벽 쪽으로 힘이 작용하여 각 공간을 밀폐시킨다. 일반적으로 출력은 0.075~7.5kw 정도이며, 무부하 상태의 회전수는 3,000 ~ 15,000rpm 이다.

 

B. 피스톤 모터

압축 공기를 피스톤 단면에 작용시켜 그 힘을 가판이나 캠, 크랭크축 등에 전달하여 모터 축을 회전시키는 구조로 되어있다. 피스톤 모터는 일반적으로 중, 대용량으로 저속 회전이 필요한 곳에 사용되며, 최고 회전 속도는 무부하상태에서 3,000rpm 정도이고 출력은 1.5~2.6kW 정도로 시동 토크를 크게 할 수 있는 특징이 있다.

 

C. 기어 모터

기어형 모터는 두 개의 맞물린 기어에 압축 공기를 공급하여 토크를 얻는 방식이다, 한 개의 기어는 모터의 축에 고정되며, 소형에서도 10,000rpm 정도의 고속 회전과 대단히 높은 출력을 얻을 수 있다.

 

D. 터빈형 모터

터빈형 공압 모터는 압축 공기를 날개차에 붙어 넣어서 속도와 압력 에너지를 회전 운동으로 변환시켜 회전력을주는 구조이다. 일반적으로 고속이 요구되는 연삭용 등에 사용되며 2,000~5,000rpm 정도의 회전수가 얻어진다.

 

 

 

(3) 공압 모터의 특징

1. 전동기와 비교하여 관성 대 출력비로 결정하는 시정수가 작으므로 시동 정지가 원활하며 출력/중량비가 크다.

2. 공기의 압축성 때문에 회전 속도는 부하의 영향을 받기 쉽다. 그러나, 공압 모터의 토크보다 부하가 크게 되면속도가 떨어져 자연히 정지되지만, 전동기처럼 코어가 타는 현상이 일어나지 않으므로 안전하다. 부하가 작게 되면 관성 및 출력비의 시정수가 작으므로 곧 재시동한다.

3. 폭발성 가스의 분위기 속에서도 안전하게 사용할 수 있다.

4. 속도 제어와 정역 회전 변환이 간단하다. 속도의 가변 범위도 1 : 10 이상 된다.

5. 주위 온도, 습도 등의 분위기에 대하여 다른 원동기만큼 큰 제한을 받지 않는다.

6. 작업 환경을 청결하게 할 수 있다.

7. 공압 모터의 자체 발열이 적다. 각 섭동부의 마찰열은 압축 공기의 단열 팽창으로 냉각된다.

8. 압축 공기 이외의 질소가스, 탄산가스 등도 사용할 수 있다.

9. 공기탱크를 공압원으로서 설치하면 비상용 구동원으로서도 이용할 수 있다.

 

(4) 사용상 주의 사항

1. 공압 모터의 성능은 배기측 압력을 대기압으로 하였을 때의 토크와 출력을 표시하고 있다. 그러나, 실제로 사용할 때는 공압 기기나 배관에 의한 배합이 발생 하고 출력 저하를 가져오므로, 충분한 여유를 고려한 공압 기기를구성하여야 한다.

2. 공합 모터에 사용하는 소음기는 연속 배기이므로 가능한 큰 유효 단면적을 가진 것을 사용한다.

3. 공기 압축기를 선정할 때는 이론 토출량에 효율을 곱한 실 토출량으로 선정한다.

4. 공압 모터의 출력축에 걸린 반경 및 축 방향의 하중은 허용 용량값 이내로 무리한 하중이 걸리지 않도록 한다.

5. 윤활유가 부족하면 토크 저하, 열에 의한 융착, 내구성 등이 저하되므로 공압 모터에는 충분한 윤활유가 공급되도록 해야 한다.

6. 베인형 공압 모터는 시동시나 저속 회전 영역에서 공기 누설로 인한 토크가 저하되므로 시동 특성을 잘 확인한다.

7. 저속 영역에서는 스틱-슬립 현상으로 최소 사용 회전수가 제한되어 있으므로 확인해야 한다.

8. 공합 모터에 브레이크를 병행하면 압축 공기 공급이 중단되었을 때도 로킹되어 안전하다.

 

 

 

3.3 요동형 액추에이터

(1) 개요

요동형 액추에이터(rotary actuator)는 공압 요동 모터라고도 하며, 출력축의 회전 각도가 제한된 공압 모터와 같으며, 압축 공기의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하여 일정 각도 사이를 왕복 회전시키는 것으로서 볼 밸브의 자동 개폐, 자동문의 개폐, 산업용 로봇의 구동 및 컨베이어의 방향 변환 등 각종 장치에 이용된다.

 

 

 

(2) 종류와 원리

요동형 액추에이터의 원리는 압축 공기의 팽창 에너지를 이용하여 기계적인 왕복 회전 운동으로 변환시키며, 그구조로서는 베인형 공압 모터와 같은 구조인 베인형과 공압 실린더 피스톤의 직선 운동을 기계적인 나사나 기어등을 이용하여 회전 운동으로 변환시켜 토크를 얻는 피스톤형으로 크게 나누어진다.

 

 

 

(3) 사용상 주의 사항

요동형 액추에이터는 기본적으로 공압 실린더와 같은 공압 회로로 구동된다. 그러나, 요동형 액추에이터는 그 구조가 회전체이므로 취급 면에서 공압 실린더와 다른 주의를 해야 한다.

 

A. 회전 에너지

요동형 액추에이터의 회전 운동체의 사용 회전에너지는 공압 실린더에서 직선 운동시킬 떄의 사용 운동 에너지에비해 크게 되기 쉽다. 회전 에너지가 요동형 액추에이터의 허용 에너지를 초과할 때는 출력축이 파손될 우려가 있으므로 외부 완충 장치를 설치한다.

 

B. 출력축의 접속 방법

요동형 액추에이터의 출력축과 구동축과의 중심을 정확히 맞추어 베어링에 무리한 힘이 발생하지 않도록 한다. 그러므로, 플렉시블 커플링을 사용하는 것이 좋으며, 이는 충격 하중이 걸릴 때 어느 정도의 완충 효과를 얻을 수 있다.

 

C. 부하율

중력의 작용 방향이 변하면 부하율이 변하고 회전 속도가 크게 변화되기 쉽다. 회전 속도의 변화율을 작게 하려면부하율이 50% 이하가 되도록 한다.