도료 순환 펌프를 위한 최적의 모터 선택

공압 펌프는 오랜 기간 동안 도료 순환 공급 분야에서 중심적인 역할을 해왔고, 그 이유가 있습니다. 단순하고 신뢰성이 뛰어나며 왕복 모션의 속도가 느려 원심분리 및 기타 회전 펌핑 기술과 달리 도료 입자를 손상시키지 않습니다. 이러한 모든 특징이 유익하지만, 공압 펌프를 사용하는 주요 이점은 잠재적으로 위험한 장소에서 본질적으로 안전하다는 것입니다.

많은 도료가 솔벤트 기반이거나 솔벤트 성분을 포함하고 있기 때문에 도료 작업장은 일반적으로 위험한 장소로 간주됩니다. 국가 전기 코드 협회(NEC)에 따르면 위험지역은 "가연성 가스 또는 증기, 가연성 액체, 연소성 먼지 또는 발화성 섬유 또는 먼지 날림으로 인해 화재 또는 폭발 위험이 존재할 수 있는 지역"으로 정의됩니다. 이러한 장소에서 사용하기 위해서 제작된 특정 장비가 필요합니다. 공압 펌프는 공기를 작동원으로 사용하기 때문에 전기력이 아닌 전기 발화원이 없습니다. 

게다가, 공압 펌프는 위험한 장소에서 펌프를 사용할 수 있는 비교적 저렴한 해결책입니다. 전기 모터를 사용할 때는 UL과 같은 제3자의 승인이 필요하며, 더 많은 배선과 폭발 방지용 도관이 필요하기 때문에 비용이 일반적으로 증가합니다.

공압 펌프에는 여러 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있는데, 그 중에서 가장 큰 것은 에너지 소비입니다. 공압 모터는 본질적으로 최대 약 10%의 효율만 갖습니다. 공압 펌프는 압축된 공기를 작동원으로 사용하기 때문에 에어 콤프레샤를 사용해야 하는데, 이는 그다지 효율적이지 않습니다. 이러한 효율로 24시간 가동하면 실제로 에너지 비용이 많이 증가할 수 있습니다. 특히, 미국은 에너지 비용이 6~8센트인데 반해 다른 나라에서는 1kWh당 30센트까지 소요되어 차이가 더 두드러집니다.

비효율성 외에도, 공압 펌프는 동결의 위험성이 있습니다. 공기 중에 수분이 있고 배출 시 빠르게 팽창하면 온도가 떨어져서 물이 얼어버릴 수 있습니다. 특히, 미국 루이지애나 또는 한국과 같이 습기가 많고 차가운 공기가 있는 곳에서는 이러한 위험이 발생할 수 있습니다. 이러한 환경에서는 공압 펌프가 동결되어 작동을 멈출 수 있습니다. 또한, 공압 펌프는 작동 시 매우 시끄럽습니다. 작업자들은 공압 펌프 근처에서 작동할 때 청력 손상을 방지하기 위해 귀 보호 장비가 필요합니다.

공압 펌프의 비효율성으로 인해 시장은 전기 구동 회전식 펌프와 같은 다른 솔루션으로 이동하고 있습니다. 전기 펌프에는 여러 가지 장점이 있지만, 그 중에서 주요한 것은 효율성입니다. 전기 펌프는 공압 펌프보다 4~7배의 효율을 달성할 수 있습니다. 특히, 24시간 가동되는 대형 순환 펌프에서는 상당한 양의 에너지와 비용 절감이 가능합니다. 효율성 외에도, 전기 펌프는 더 조용하고 속도와 압력 등 다양한 기능을 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 시스템 내의 부품이 고장나면 운영자가 전기 모터를 통해 감시하고 시스템을 종료할 수 있습니다.

전기 펌프는 전기력을 펌프를 구동하는 기계력으로 변환시키기 위해 일종의 전기 모터가 필요합니다. 산업 분야에서 사용되는 여러 종류의 전기 모터가 있지만, AC 인덕션 모터와 브러쉬리스 DC 모터(BLDC)가 가장 일반적입니다. 

대부분의 일반 산업용 어플리케이션의 경우, AC 인덕션 모터를 많이 선택합니다. AC 인덕션 모터는 간단하고 비용 효율적이며, 속도 제어가 필요하지 않은 경우에는 어떤 종류의 제어(일반적으로 VFD 또는 인버터라고 부르는 제어 장치)도 필요하지 않습니다. 한편, BLDC 모터는 제어기가 필요하며, 저렴한 전자 제품이 1970년대 후반에 등장한 이후로 점점 더 보편화되기 시작했습니다.

AC 인덕션 모터와 BLDC 모터는 매우 유사하며, 주된 차이는 로터의 구조입니다. 

AC 인덕션 모터는 로터에 자석이 없으며, 대신 일련의 적층과 권선이 있습니다. 모터의 스테이터에 3상 전원이 가해지면 회전하는 자기장이 생성됩니다. 회전하는 자기장은 유도를 통해 로터에 전류 흐름을 생성합니다. 로터 전류는 자체의 자석을 만들고, 스테이터 자기장과 상호작용을 통해 토크를 발생시킵니다. 대부분의 AC 인덕션 모터는 제어기 없이도 AC 전원으로 직접 가동될 수 있지만, 많은 펌프 어플리케이션과 같이 변속이 필요한 경우에는 AC 전원과 모터 사이에 VFD를 설치해야 하므로 이러한 장점이 상쇄됩니다. 

VFD는 모터에 공급되는 전원의 주파수를 변경함으로써 모터의 속도를 변화시킵니다. 예를 들어, 1,800 rpm과 60 Hz의 정격 모터는 30 Hz에서 가동하여 900 rpm으로 속도를 줄일 수 있습니다. VFD가 있더라도, 산업용 AC 인덕션 모터는 정격 속도의 약 30~130% 범위에서 속도 범위가 제한됩니다. 산업용 AC 인덕션 모터는 매우 낮은 속도나 정지 상태에서 정격 토크를 제공하는 데 최적이 아닙니다.

BLDC 모터 구성 요소

AC 모터 구성 요소

한편, BLDC 모터는 로터의 권선 대신 일련의 영구 자석을 사용합니다. 이 자석은 스테이터의 자기장과 상호작용을 통해 토크를 생성합니다. 하지만, BLDC 모터는 단순히 3상 전원에 의존하여 회전 자기장을 생성하지 않고, 스테이터의 자기장을 정밀하게 제어하여 로터 위치 및 고정 자석과 정렬되어야 합니다. 스테이터 자기장은 AC 인덕션 모터와 함께 사용되는 VFD와 거의 동일한 장치에 의해서 제어되지만, 한 개의 추가 입력이 필요합니다. 로터에 부착된 샤프트 인코더는 모터 제어기가 로터와 스테이터 자기장을 올바르게 정렬하는 데 도움이 되어야 합니다. 스테이터 자기장의 정밀한 제어를 통해 속도, 토크 및 가속을 포함한 모터의 완전한 제어가 가능합니다. BLDC 모터는 0의 속도에서도 완전한 토크를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 주어진 출력 수준에 대해 모터는 더 작은 편이며, 영구 자석을 가진 로터는 해당 인덕션 로터보다 가벼운 편입니다. 이 두 가지 특징으로 인해 BLDC 모터가 변화하는 조건에 훨씬 빠르게 반응할 수 있습니다. 

AC 인덕션 모터가 BLDC 모터보다 더 흔한데, 왜 운영자들은 전기 펌프에 BLDC 모터를 선택할까요? 다음의 예와 같이 BLDC만이 제공할 수 있는 여러 이점과 특징이 있습니다.

• 높은 효율: BLDC 모터는 전력 소비와 열 생성을 줄입니다.
• 토크 및 속도의 정확한 제어: 펌프는 시스템 요청에 신속하게 반응할 수 있습니다. 펌프는 “데드 헤드”가 가능하며, 모터가 0의 속도 상태에서 충분한 토크를 생성할 수 있도록 합니다. 또한, 모터는 일정한 토크를 생성할 수 있습니다. 이를 통해 모터가 일정한 압력을 생성하도록 제어하여 공압 펌프와 유사하게 순환 시스템의 변화에 반응합니다. 
• 하부 로터 관성: 이는 유사한 출력을 가진 AC 인덕션 모터보다 시스템 압력 변화에 펌프가 훨씬 빠르게 반응합니다.
• 초소형 사이즈: 동일한 출력에 대해 BLDC 모터는 일반적으로 AC 모터보다 작아서 펌프도 더 작게 만들 수 있습니다.

다음 그래프에서 BLDC 모터의 향상된 효율성을 확인할 수 있습니다. 그래프 1은 AC 인덕션 모터와 BLDC 모터를 비교합니다. 그래프 2는 다양한 종류의 순환 펌프의 총 전기-기계적 효율성을 보여줍니다. 

BLDC 모터는 낮은 관성과 우수한 토크 제어로 인해 변화된 요구에 펌프가 빠르게 대응할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 압력을 유지한 상태에서 압력을 정확하게 제어하여 펌프에 "데드 헤드"를 발생시킬 수 있습니다. 또한, BLDC 모터의 본질적으로 빠른 응답 속도로 인해 기계적인 연결 수준을 상당히 단순화시킬 수 있습니다. 

두 가지 유형의 모터는 모터의 회전 운동을 피스톤 펌프의 직선 순환 운동으로 변환시키는 방법이 필요합니다. AC 인덕션 모터는 비교적 일정한 속도로 운전하고 동적 응답이 느리기 때문에 직선 순환 운동을 수행하기 위해서는 복잡한 기계 장치가 필요합니다. 예를 들어, 캠 또는 요크 배치가 사용될 수 있습니다. 이러한 장치는 종종 실제 모터보다 2~3배 정도 큽니다. 또한, 고장이나 마모가 쉽게 발생할 수 있는 착용 지점과 베어링으로 인해 유지보수나 교체에 많은 비용이 소요됩니다.

아래는 AC 인덕션 모터로 구동되는 펌프의 예시입니다. AC 모터, 기어박스 및 상당히 큰 캠 구동 시스템은 모두 분리되어 있지만, 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키기 위해서는 모든 장치가 필요합니다. 캠 구동 시스템은 여러 부품으로 구성되어 있으며, 모두 지속적인 마모를 겪습니다.

비교적으로, 페인트 순환 펌프 시스템은 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키기 위해서 소형 BLDC, 2단계 기어 축소 및 간단한 랙 앤 피니언 구동 시스템을 사용할 수 있습니다. 

직선 순환 운동을 만들기 위해서 BLDC 모터의 회전 방향을 단순히 반대로 전환시킵니다. 낮은 관성과 정확한 토크 제어로 인해 BLDC 모터는 간단하고 효율적으로 회전 방향을 전환시킵니다. 펌프뿐만 아니라 이 유형의 솔루션은 초정밀 고속 CNC 가공 장비와 같은 다른 자동화 장비에서도 흔히 사용됩니다. 

모터 순환 

도료 순환 시스템에 BLDC 전동 펌프를 사용함으로써 작업자들은 최적의 효율성, 제어 및 성능을 달성할 수 있습니다. 또한, 쉬운 연결 기능과 조용한 운전으로 BLDC 전동 펌프는 작업 환경을 개선하며, 조용한 운전으로 작업자가 펌프 근처에 머무르면서도 지속적인 성능을 보장할 수 있습니다.