스텝핑 모터는 본래 공장 자동화의 구동기구나 로봇 팔의 관절 부위와 같은 정밀 회전 제어 기구로 개발되어 사용되어 왔다. 그러나 자동차의 전자제어화로 최근 자동차에도 적용되고 있으며, 그 용도는 날로 증가 추세에 있다
김민복 【현대자동차 남부정비연수원】
스텝핑 모터의 적용 개요
스텝핑 모터는 본래 공장 자동화의 구동기구나 로봇 팔의 관절 부위와 같은 정밀 회전제어 기구로 개발되어 사용되어 왔다. 그러나 자동차의 전자제어화로 최근 자동차에도 적용되고 있으며, 그 용도는 날로 증가 추세에 있다.
이 전자제어 기술은 각종 센서로부터의 신호를 ECU(전자제어 장치)에 입력해 ECU는 그 신호를 연산해 출력 신호로 액츄에이터를 구동하도록 되어 있다. 특히 오늘날의 자동차는 액츄에이터로서 구동이 정밀하게 응답하지 않으면 안되게 되어 있다. 이 액츄에이터로 사용하고 있는 것 중 하나가 스텝핑 모터로, 모터의 회전을 다단계로 정밀하게 동작시킬 수 있다.
자동차의 경우 엔진 아이들 회전수 제어, 트랙션 컨트롤(TCL: Traction Control)의 엔진 회전수 제어, 쇼크 업소버의 감쇄력 제어, 크로즈 컨트롤의 스로틀 밸브 개도 제어 등에 사용하고 있다.
스텝핑 모터의 특징
스텝핑 모터는 일반 모터와 비교해 여러 가지 특징이 있는데, 그 특징은 다음과 같다.
① 디지털 신호로 제어
② 기동·정지·정회전·역회전이 용이하고, 응답성이 좋다.
③ 모터의 회전 각도를 정밀하게 제어
④ 브러시가 없어 신뢰성이 우수
스텝핑 모터의 종류
스텝핑 모터의 구조상 분류
① 가변 리액턴스 형(VR형): 로터(회전자)가 자화되어 있지 않아 로터 주위에 스테이터를 놓고 로터와 스테이터가 다수의 이(돌기)가 있어 스테이터의 이(돌기)를 통해 가변, 회전자를 자화시키는 형식이다.
② 영구자석형(PM형): 로터(회전자)를 페라이트 자석으로 해 스테이터의 자극이 적은 형식이다.
③ 복합형(하이브리드형): 로터(회전자)가 자화되어 있고 로터 주위에 다수의 이가 있는 형식이다.
권선 방식에 의한 분류
① 유니폴러 권선 방식: 자극을 단일 여자 권선으로 해 스테이터 코일에 흐르는 전류의 방향을 서로 바꾸어 흐르게 하는 방식이다.(그림 2 참조)
② 바이폴러 권선 방식: 자극에 코일의 감는 방향을 서로 역으로 한 권선 2개를 감아 일정 방향으로 스테이터 코일에 전류를 흐르게 하는 방식이다.(그림 3 참조)
·구동에 의한 분류
① 유니폴러 구동 방식: 여자 전류를 일정한 방향으로 흐르게 해 스테이터의 극성이 항상 동일 극성으로 하는 방식이다.
② 바이폴러 구동 방식: 회전자의 자극에 대응시키는 방식으로 여자 전류의 방향을 상호 바꾸어 스테이터(고정자)의 극성을 변화시키는 방식이다.
이러한 방식 중 자동차용으로 사용하는 스텝핑 모터는 영구자석형(PM형)에 바이폴러 권선 방식으로 유니폴러 구동을 하고 있는 것이 일반적이다.
스텝핑 모터의 구조와 회전 원리
·PM형 바이폴러 권선 방식의 구조
스텝핑 모터는 로터(회전자)와 A상, B상 각 2조의 스테이터 코일로 구성되어 있다.
로터는 페라이트계의 영구자석으로 N극, S극이 서로 바뀌어 가며 12∼24개의 극을 조립 또는 자화 시켜 놓은 것으로 로터의 양단부에는 축을 받치는 볼 베어링이 조립되어 회전을 원활하게 한다. 스테이터는 스테이터 코일에 스테이터 코어를 끼워 넣은 2개의 코일로 되어 있다.
코일의 권선 방식은 바이폴러 권선 방식으로 A상에 2개의 코일과 B상에 2개의 코일이 내부에서 분권되어 합계 4개가 있다.
스테이터 코어에는 자극으로 작용하는 돌기가 6∼12개가 있고, 그 스테이터 코어에는 A상 2조, B상 2조로 합계 4조가 있다. 로터 및 스테이터(고정자)의 자극은 <그림 4>의 전개된 그림처럼 되어 있다. 실제 스텝핑 모터는 <그림 5>에 나타낸 것처럼 A상과 B상의 2개의 스테이터 코일이 있고, 스테이터 코일을 사이에 두고 스테이터 코어의 상측과 하측을 끼워 넣는 형식으로 되어 있다.
·스텝핑 모터의 회전 원리(유니폴러 구동, 2상 여자 방식)
4개의 스테이터 코일에 순번대로 전류를 흘려 코일에 여자를 변화시키면 로터(회전자)는 회전을 하게 되는데, 로터는 전류의 순번 변화에 따라 1스텝씩 회전하
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