고온 및 저온에서 다양한 재료로 인해 발생하는 스테퍼 모터 베어링 압착에 대한 제품 솔루션

- 95°C의 고온과 -60°C의 저온에서 서로 다른 재료로 만든 스테퍼 모터에 대한 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. 시뮬레이션 결과는 극한 온도에서 재료 차이로 인해 스테퍼 모터에서 베어링 고착 문제의 주요 원인을 밝혔습니다. 개선책을 제안했고 실험을 통해 그 타당성을 검증했습니다.

a). 도전

스테퍼 모터는 전기 펄스 신호를 각 변위로 변환하는 액추에이터입니다. 간단하고 편리한 시스템을 갖추고 비용이 저렴하여 더 높은 해상도가 필요한 오픈 루프 위치 지정 시스템에 널리 사용됩니다. 현대 과학과 기술의 발전으로 스테퍼 모터는 높은 신뢰성, 낮은 에너지 소비 및 가벼운 설계에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 가벼운 설계에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 스테퍼 모터의 하우징과 엔드 캡은 구조용 강철 대신 경질 알루미늄 합금과 같은 가벼운 재료로 만들어지지만, 모터의 전체 중량을 줄이기 위한 구조적 강도 요구 사항을 충족합니다

b) 솔루션(QIBR이 문제를 해결하는 방법)

QIBR 기술자는 유한 요소 분석 소프트웨어 ANSYS Workbench를 사용하여 95°C의 고온과 -60°C의 저온에서 서로 다른 재료로 만든 하우징과 엔드 캡이 있는 스테퍼 모터에 대한 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. 그들은 이러한 온도 조건에서 재료 차이로 인해 스테퍼 모터에서 앵귤러 콘택트 볼 베어링 걸림 문제의 주요 원인을 분석하고 개선 조치를 제안했습니다.

c) 결과

• 고온 95°C와 저온 -60°C에서 경질 알루미늄 합금과 구조용 강철로 만든 하우징과 엔드캡이 있는 스테퍼 모터에 대해 유한 요소 시뮬레이션 분석을 수행했습니다. 스테이터 베어링 위치에서 축 방향 변위와 반경 방향 변위의 등고선 맵은 각각 그림 2~5에 나와 있습니다.

그림 1: 하우징 엔드 커버를 알루미늄 합금으로 제작했을 때 295℃ 베어링 스톱의 변위 클라우드 다이어그램

그림 2: 395℃에서 구조용 강재로 하우징 엔드커버를 제작한 경우 베어링 스톱의 변위 클라우드 다이어그램

그림 3: 하우징 엔드 커버가 알루미늄 합금으로 제작되었을 때 60℃에서 베어링 스톱의 변위 클라우드 다이어그램

그림 4: 60℃에서 하우징 엔드 커버가 구조용 강철로 만들어졌을 때 베어링 스톱의 변위 클라우드 다이어그램

95℃의 고온과 -60℃의 저온에서 하우징과 엔드 캡이 단단한 알루미늄 합금과 구조용 강철로 만들어졌을 때, 스테이터 베어링 위치에서의 최대 축 방향 변위와 최대 반경 방향 변위는 표 1에 나와 있습니다.

고온과 저온에서 하우징과 엔드캡에 다른 재료를 사용하면(주로 열 팽창 계수가 다르기 때문임. 경질 알루미늄 합금의 열 팽창 계수는 2.3×10^-5 K^-1이고 구조용 강철의 열 팽창 계수는 1.2×10^-5 K^-1임) 베어링 위치에서 축 방향 및 반경 방향 변위에 차이가 발생합니다. 고온(95°C)에서 베어링 위치에서 변위 차이 δ는 축 방향 변위의 경우 0.014mm이고 반경 방향 변위의 경우 0.0069mm입니다. 저온(-60°C)에서 변위 차이 δ는 축 방향 변위의 경우 0.016mm이고 반경 방향 변위의 경우 0.0078mm입니다.

이러한 온도 조건에서 하우징과 엔드 캡이 단단한 알루미늄 합금으로 만들어지면 베어링 위치에서 축 방향 및 반경 방향 변위의 차이가 양쪽 끝의 베어링 외경에 직접 영향을 미쳐 베어링의 축 방향 및 반경 방향 플레이를 줄이고 궁극적으로 베어링 걸림 문제를 일으킵니다. 이를 해결하기 위해 이 논문에서는 스테퍼 모터의 스테이터 베어링 위치와 베어링 사이의 맞춤 간극과 스테이터와 로터 사이의 축 방향 간극을 각각 0.008mm와 0.017mm 늘려 재료 변화로 인한 변위 차이를 상쇄하고 베어링 걸림을 방지하는 것을 제안합니다.

QIBR 엔지니어링 팀은 결함이 있는 모터를 분해하고 가솔린으로 스테이터와 로터를 청소한 다음 스테이터 베어링 위치의 내부 보어를 0.008mm 가공하여 고객을 도왔습니다. 또한 샤프트 양쪽 끝의 베어링 위치 끝면을 0.017mm 가공했습니다. 스테이터와 로터를 재조립한 후, 그들은 실험 장비를 사용하여 95°C와 -60°C의 온도에서 전기적 테스트를 실시했습니다. 테스트 결과, 샤프트가 막힘 문제 없이 자유롭고 원활하게 회전하는 것으로 나타났습니다.

• 에너지 소비 및 고장률 감소: 정밀 앵귤러 콘택트 볼 베어링의 우수한 설계 및 제조 공정은 에너지 소비를 줄이고 베어링의 수명과 신뢰성을 높입니다. 이를 통해 CNC 기계의 에너지 소비를 낮추고 베어링 고장으로 인한 가동 중단 시간과 유지 관리 비용을 줄일 수 있습니다.
• 고온 및 저온에서 재료 차이로 인해 발생하는 스테퍼 모터의 베어링 압착 문제는 개선 조치를 구현하여 해결했습니다. 구체적으로, 스테퍼 모터의 스테이터 베어링 블록과 베어링 사이의 맞춤 간극을 0.008mm 늘렸고, 스테이터와 로터 사이의 축 방향 간극을 각각 0.017mm 늘렸습니다. 이러한 조정은 다양한 재료로 인해 발생하는 축 방향 및 반경 방향 변위 차이를 상쇄하기 위해 이루어졌습니다.
• 고온 및 저온에서 스테퍼 모터의 베어링 압착의 주요 원인은 재료 차이로 인해 다음과 같습니다. 하우징과 엔드 캡에 다른 재료를 사용하면(주로 열 팽창 계수의 차이로 인해) 베어링 블록에서 축 방향 및 반경 방향 변위 차이가 발생합니다. 이 변위 차이 δ는 양쪽 끝의 베어링 외경에 직접 영향을 미쳐 베어링의 축 방향 및 반경 방향 클리어런스를 줄이거나 아예 없애 궁극적으로 베어링 압착으로 이어집니다.

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QIBR은 표준 볼 베어링을 대체할 정밀 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 추천하여 전문적인 솔루션을 제공했습니다. 그들은 운영 중 장비의 낮은 제품 정밀도 문제를 해결하기 위한 전문적인 조언과 최적화 전략을 제공했습니다. 이러한 제안과 개선은 제품 품질과 성능을 향상시키는 데 도움이 되었을 뿐만 아니라 생산 가치 증가, 비용 절감, 가동 중단 최소화, 제품 품질 개선, 운영 프로세스 최적화 등 다양한 중요한 이점을 가져왔습니다. QIBR과의 협력을 통해 현재의 과제와 문제를 해결했을 뿐만 아니라 미래 개발을 위한 견고한 기반을 마련하여 지속적인 사업 성장과 지속 가능한 개발을 달성했습니다.