주력 대상: 초소형 펌프



초소형 펌프에 적합한 모터 기술 선택

초소형 펌프는 여러 가지 기술(다이어프래, 기어, 날개, 연동형)을 이용하여 유체를 펌핑하거나 압력 또는 진공을 만드는 장치입니다. 이러한 펌프는 일반적으로 높이가 5” 미만이고 전력 배출이 100 W 미만입니다. 이러한 펌프는 혈액 가스 분석기, 가스 샘플러 및 산소 발생기에서 사용됩니다. 현재 이들 장치는 DC에서 AC로, 그리고 스테퍼에 이르기까지 다양한 모터 기술을 사용합니다. 엔지니어는 흐름, 압력, 수명, 소음 등 수많은 요구사항에 직면합니다. 이러한 사항은 펌프 내에서 변경할 수 있는 설계 변수인 반면 모터는 흐름, 압력 또는 진공을 생성합니다. 따라서 펌프 성능에 핵심적인 항목은 바로 모터 선택이라고 할 수 있습니다. 적절한 모터 선택은 최적의 펌프 성능을 유도하여 최종 제품의 효율성을 더욱 높입니다. 이러한 펌프는 해당 응용 분야가 요구하는 성능에 따라 가격이 달라집니다. 펌프는 이러한 필요성에 맞게 조정됩니다. 엔지니어는 동일한 펌프에 대해 여러 차례에 걸쳐 다른 모터 및/또는 기술을 선택할 수 있습니다. 초소형 펌프에서는 기본적으로 세 가지 모터기술 (브러시 DC, BLDC 및 스테퍼)이 사용되지만, 각 범주에는 두 개 이상의 하위 기술이 있습니다. 이것은 펌프 설계 엔지니어에게 선택할 수 있는 여러가지 옵션을 제시하며, 각 옵션은 장점과 단점이 있습니다. 모터 기술을 선택하려면 어떻게 합니까? 결정 요인으로는 어떤 것이 있습니까? 먼저 사용 가능한 기술에 대해 알아본 다음 다시 의사결정 과정을 검토할 수 있습니다.



브러시 DC 모터

브러시 DC 모터에는 철 코어와 코어리스, 두 가지 기본 범주가 있습니다. 철 코어 기술은 자석으로 덮이고 일반권선으로 에워싸인 비스듬한 철 조각으로 구성됩니다. 모터는 금속 하우징에 매입되어 있습니다. 코어리스 모터는 자체 지지 비철 코일로 되어, 관성이 낮고 효율성이 높은 것이 특징입니다. 철 코어 모터는 간단한 설계를 기준으로, 제조하기 더 쉬운 반면, 코어리스 코일은 더 복잡합니다. 이 복잡성 때문에 코어리스 모터를 설계할 때 최대 길이가 제한되지만, 철 코어 모터는 무관합니다. 그러나, 코어리스 모터는 효율성(30% 이상), 무게(20% 미만) 및 관성(60% 미만)에서 커다란 이점을 제공합니다. 뿐만 아니라, NIB (Neodymium Iron Boron) 자석은 코어리스 모터의 전력 밀도를 높여 모든 응용 제품의 패키지 크기를 줄입니다.



BLDC 모터

또한 무브러시DC 모터에는 슬롯형과 무슬롯형, 두 가지 기본 범주가 있습니다. 슬롯형 모터는 철 코어 기술에 기반하여, 일반적으로 9~12개 슬롯이 있는 와운드 고정자를 이용합니다. 일반적으로 이러한 모터는4 폴과 3상으로, 높은 전력 밀도를 보장하고 코일과 하우징 사이의 열저항이 작은 것 이 특징입니다. 무슬롯 모터는 비철 코어 기술에 기반하여, 고객 주문형 코일을 이용합니다. 일반적으로 모터는 2 폴과 3상으로, 코깅이 없고, 철 유실이 적으며, 토크 대 속도가 선형이며, 속도 제어가 탁월한 특징이 있습니다. 슬롯형 모터는 일반적으로 낮은 RPM (2,000 ~ 4,000 RPM)에서 실행되고 높은 토크를 생성하여, 저속 응용 제품에 이상적입니다. 무슬롯 모터는 고속 응용 제품에 맞게 낮은 토크에서 높은 RPM (8,000 ~ 16,000 RPM)으로 실행됩니다. (그림 2)



스테퍼 모터

스테퍼 모터에는 캔 스택, 하이브리드 및 디스크형 자석의 3가지 기본 기술이 있습니다. 캔 스택은 스탬프된 금속 부품으로 만들어진 가장 기본적인 기술입니다. 다중 폴 모터 및 다중 톱니 고정자는 2개의 와운드 보빈으로 에워싸여, 전류가 코일을 통과할 때 회전을 생성합니다. 기계 폴은 미세한 정밀도를 제공하지만, 더 높은 속도에 도달하지 못하게 합니다. 하이브리드는 가공된 부품으로 제조되어, 스텝 해상도 토크가 커집니다. 일반적으로 이러한 모터는 캔 스택보다 큽니다. 디스크형 자석 기술은 독특하게도, 일반적인 원통형 회전자에 얇은 디스크 자석을 사용합니다. 이 얇은 디스크는 디텐트 토크를 낮추고 높은 속도 회전을 가능하게 합니다. 자석 물질이 감소되어 토크를 낮추면서 가속화를 높일 수 있습니다. (그림 3)



초소형 모터 선택
펌프 설계 엔지니어는 세 가지 기본 모터 기술 선택사항을 통해, 응용 제품을 고려하여 비용과 성능 및 필요성에 맞는 기술을 선택하는 어려운 작업을 해야 합니다. 다행히, 모터 기술은 기본 펌프 변수(흐름, 압력, 수명, 무게, 소음, 온도, 피드백 및 전류 방출)에 적용될 때 다양한 장점과 단점을 제공합니다. 펌프 응용 제품을 이러한 각 부분의 중요성을 결정하고 엔지니어는 이를 토대로 모터 기술을 결정합니다
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펌프의 흐름 또는 압력은 응용 제품 출력의 주요 구동 요인입니다. 최소 패키지에 흐름이나 압력을 최대화하여 최적의 최종 제품을 가능하게 합니다. 모터의 주요 변수는 토크와 속도이며, 펌프 흐름 또는 압력에 직접적으로 영향을 미칩니다. 스테퍼 및 DC 모터는 BLDC 모터보다 낮은 톱엔드 속도를 가지지만, 하위 기술은 다른 성능 게인을 제공할 수 있습니다. 디스크형 자석 스테프는 높은 속도로 실행할 수 있지만, 슬롯형 BLDC 모터는 증가된 토크를 제공할 수 있습니다. 흐름 또는 압력은 특정 속도에서 토크 요구사항인 작동점을 결정합니다. 화학 펌프 응용 제품에서는 펌핑 중인 화학물질에 필요한 속도에 따라, 흐름을 달리 해야 할 수 있습니다. 필요한 작동점은 여러 가지 모터 기술이 교차될 수 있으므로, 응용 제품의 다른 요구사항들도 고려됩니다.

펌프 수명(작동 시간)은 응용 제품의 주요 고려 사항이 될 수 있습니다. 산소 발생기 및 마취기와 같은 의료 제품에서는 펌프가 성능 저하 없이 몇 시간씩 작동을 지속해야 합니다. 모든 모터에 공통적인 주요 마모점은 베어링입니다. 슬리브와 볼, 두 가지 주요 베어링을 사용할 수 있습니다. 슬리브 베어링은 힘과 수명 비율이 낮지만(약 3,000시간), 비용이 저렴합니다. 볼 베어링은 훨씬 더 긴 수명(약 20,000시간)을 제공하고 더 높은 방사선 및 축 하중을 견디므로(일반적으로 슬리브 베어링의 2배), 의료 치료 시스템과 같은 까다로운 응용 제품에 이상적입니다. 수명 연장은 비용 증가를 동반합니다.

펌프 수명을 고려하는 또 다른 사항은 브러시 또는 전자 장치와 같이 모터에 사용되는 정류부분입니다. 철 코어 및 코어리스 모터는 정류용 브러시를 이용하여, 마찰과 아크방전으로 인해 시간 경과와 더불어 마모합니다. 모터 수명은 사용된 브러시의 재료에 의해 결정됩니다. 귀금속 재료를 포함하여 브러시 수명을 연장하는 옵션을 사용할 수 있습니다. 코어리스 모터는 레이어드 코일 설계에 기반한 철 코어 모터보다 더 오래 사용할 수 있습니다(최대 4배 연장). BLDC 및 스테퍼 모터는 전자 장치를 통해 정류하므로, 브러시가 필요 없습니다. 따라서, 마모될
브러시가 없고 모터 수명은 주로 베어링에 의해 제한됩니다. 다시 언급하자면, 분무기 및 인공 호흡기와 같은 의료 응용 제품에는 긴 수명의 BLDC 모터가 필요합니다.

효율성은 특정 전력 입력을 기계 출력 전력으로 변환하는 모터의 효과로 측정됩니다. 전력 소비가 적으면 배터리 수명을 연장시키거나, 배터리 충전 시간이 길어지므로, 이것은 배터리를 통해 실행되는 응용 제품에 중요합니다. 코일은 최대 효율성을 제공하는 무슬롯 또는 코일리스 설계를 사용하는 모터의 효율성에서 주요 역할을 수행합니다. 고유한 코일 설계에 따라 기계적 유실은 최소화되고 모터에 제공된 전력은 가장 효과적으로 출력변환될 수 있습니다. 스테퍼 및 철 코어 모터에서 보인 슬롯형 설계는 높은 철 성분이 상당한 전기 유실을 생성하므로 효율성이 가장 떨어집니다. 무슬롯 코일 설계의 또 다른 이점은 감소된 무게입니다. 가스 분석기와 같은 휴대용 응용 제품이 코어리스 및 무슬롯 모터의 이점을 최대한 이용할 수 있습니다.



초소형 모터 선택

이러한 펌프 요구사항은 모터에 좌우되는 만큼, 모터 선택이 최적화된 기술 실현의 관건입니다. 최종 고객 요구사항을 만족시키기 위해서는 매개변수들을 여러 번 조율을 해야 합니다. 엔지니어는 기술의 특징과 이점에 대한 이해를 하고나면 작업을 더 간단하고 쉽게 할 수 있습니다. (그림 4)



Portescap 소개

Portescap은 의료 및 산업 분야의 모션 요구 사항을 충족하는 최고의 솔루션을 제공합니다. 당사는 브러시 DC, 브러시리스 DC, 스테퍼 캔 스택, 디지털 선형 액추에이터, 디스크 자석 및 gearhead/encoder/drive 기술을 포함한 광범위한 전자 초소형 제품 기술을 통해 성능이 중요한 분야에 서비스를 제공합니다. Portescap 제품은 의료, 생명 과학 및 임상 진단, 계측, 자동화, 항공 및 보안 분야와 같은 다양한 의료 및 산업 분야에서 모션 제어 요구 사항을 충족합니다.
Portescap은 미국, 세인트 키츠 및 인도에 제조 센터를 두고 있으며, 미국, 중국, 인도 및 스위스에 R&D 센터가 있는 글로벌 제품 개발 네트워크를 이용하고 있습니다.

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Portescap

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